薄膜偏光镜技术报告

高性能薄膜偏光镜的研制技术研究报告曲阜师范大学激光研究所2005年12月目录前言薄膜偏光分束镜的设计原理折射率匹配条件相位匹配条件薄膜偏光分束镜的优化设计和制备薄膜偏光分束镜基体折射率的选择双棱镜形式的薄膜偏光分束镜宽带高消光比薄膜偏光分束镜的优化设计薄膜偏光分束镜的镀制总结前言偏光技术的发展基础是偏光器件，它是产生偏振光和实现偏振光态势转变的重要的器件。产生偏振光的方法可分为以下几类：前言（1）Brewster角原理；（2）材料的二向色性；（3）双折射晶体制做的晶体偏光器件；（4）光学薄膜。

研究现状国外：最常用的宽带薄膜偏光分束镜是MacNeille在1946年发明的，它是基于光的布氏角原理和薄膜内光的干涉原理设计而成。

国内：上个世纪八十年代就有人对该类棱镜进行过研究;但器件的消光比仅为10-2，目前已设计、制做出了消光比10-3的器件。而在我们山东省，还一直属于空白。

前言我们的工作

本工作基于MacNeille薄膜偏光分束镜的设计形式，通过合理的选择棱镜基体材料、膜系结构参数和镀膜工艺，利用膜系设计软件对膜系进行优化设计，提高棱镜的消光比等技术指标，以满足偏光应用技术发展的需要。

目录前言薄膜偏光分束镜的设计原理折射率匹配条件相位匹配条件薄膜偏光分束镜的优化设计和制备薄膜偏光分束镜基体折射率的选择双棱镜形式的薄膜偏光分束镜宽带高消光比薄膜偏光分束镜的优化设计薄膜偏光分束镜的镀制总结薄膜偏光分束镜的设计原理图1薄膜偏光分束镜的结构

··薄膜偏光分束镜的设计原理折射率匹配条件偏振分光镜的膜系设计要求P分量全透过，而S分量全部反射，为满足这个要求，就必须选择合适折射率的膜料和基底，同时它们之间也应该满足一定的关系。由菲涅尔原理可知，对于折射率为和的两种材料的界面，P分量的反射系数有如下关系:

（1）

式中和为光在和高低折射率薄膜中的折射角。

薄膜偏光分束镜的设计原理折射率匹配条件如果（2）

设光在基体到第一层薄膜的入射角为，棱镜材料的折射率为

（3）

（4）

联立2，3，4式（5）

薄膜偏光分束镜的设计原理折射率匹配条件上式即为薄膜偏光分束镜高低折射率膜料和基底折射率的匹配条件。从上式可以看出有以下两种设计方案：①可选择入射角为450，对于给定的nH和nL，从而求出n0。②可选择n0，对于给定的膜料折射率nH和nL，求出。

薄膜偏光分束镜的设计原理相位匹配条件

折射率的匹配是对P分量的;对S分量,主要考虑相位的匹配.

对于S分量，各膜层中的等效折射率是不同的，即：,由于这种不同，因此S分量的光存在反射。若将膜系设计成λ/4单层厚度形式，使S分量的反射光相长干涉，在具有适当的层数后，入射光束中的S分量基本上被全部反射。

运用高低折射率交错镀制的方法可以消去所有高低折射率界面上的P分量的反射光，为消除薄膜材料与棱镜界面上P分量光的反射，在选择薄膜的第一层光学厚度时，应使其满足：

（6）

而其它膜层厚度满足：

（7）

这样整个膜系保持为奇数层，但全部薄膜的等效厚度是λ0/2的整数倍，这样就实现了S分量高反，P分量全透的目的。

薄膜偏光分束镜的设计原理相位匹配条件每一层的光学厚度为：

(8）

式中：和分别为高低膜层的几何厚度，是中心波长。

（5）和（8）式分别为折射率匹配和相位（膜厚）匹配条件，两者构成了薄膜偏光分束镜的设计基础，也是在膜系设计中选择基体材料和膜料以及确定膜层厚度的依据。

前言薄膜偏光分束镜的设计原理折射率匹配条件相位匹配条件薄膜偏光分束镜的优化设计和制备薄膜偏光分束镜基体折射率的选择双棱镜形式的薄膜偏光分束镜宽带高消光比薄膜偏光分束镜的优化设计薄膜偏光分束镜的镀制总结目录

高低折射率膜料和基体材料折射率要满足如下关系：

上式中不显含波长和厚度因子，既说明可以将S偏振光的反射带安排在任何光谱区间，因此Macneille形式的薄膜偏光分束镜的优点是带宽比较宽，我们对其性能的优化主要集中在对P分量偏振度的提高上。

薄膜偏光分束镜基体折射率的选择薄膜偏光分束镜的优化设计和制备薄膜偏光分束镜基体折射率的选择

根据膜料的特性和设计的原理，我们在制作薄膜偏光分束镜的过程中选用了ZrO2和SiO2两种膜料。ZrO2折射率为2.1（550nm），但是在实际镀制过程中实际折射率为1.92左右，蒸发温度为25000C，透明区在320nm~11000nm之间。SiO2镀制时的性能比较稳定，其镀制后折射率为1.46，蒸发温度为1800~22000C，透明区为200nm~5000nm。

下表为两种膜料对不同基体是否满足Macneille设计的比较情况：

基体材料高折射率低折射率入射角是否满足条件1.64(LaK2)

1.92(ZrO2)

1.46(SiO2)

450

满足1.52(K9)

1.92(ZrO2)1.46(SiO2)450

不满足薄膜偏光分束镜的优化设计和制备宽带高消光比薄膜偏光镜的优化设计

由nH=1.92，nL=1.46,n0=1.64，棱镜的结构角为450，计算可得：

薄膜偏光分束镜的优化设计和制备可见：P分量的等效折射率近似相等，这说明P分量满足零反射条件；而S分量的等效折射率有较大差别，这说明S分量有较高的反射比。

双棱镜形式的薄膜偏光分束镜理想的偏光分束镜是希望S分量能够全部反射，但在实际中，薄膜对S光只是高反射，微量的透射也会影响P分量的偏振度。

解决的方法是通过增加薄膜的层数来提高S分量的反射比。但是随着层数的增加，光的吸收损耗和散射损耗也会增加。因此

单个形式的棱镜很难实现透射光束的高偏振度，为了提高P分量光的偏振度，可以考虑如下图所示双棱镜结构。

PSS双棱镜形式APSS双棱镜形式B薄膜偏光分束镜的优化设计和制备双棱镜形式的薄膜偏光分束镜比较后，我们选择了第二种形式，因为膜层的有效相位厚度为：

由上式可见当光倾斜入射的时候，中心波长发生漂移；对于组合B，如果光线在第一个基体与膜层界面上的入射角增大，则在第二个界面上入射角减小，从而使光通过膜层的相位厚度和波长漂移可以相互补偿。

薄膜偏光分束镜的优化设计和制备宽带高消光比薄膜偏光镜的优化设计

利用TFCalc软件对上述指标进行优化设计，给出优化后的膜系G/0.5HL(HL)^13H0.5LH/G。其中G表示基体玻璃的折射率1.64,H表示ZrO2的折射率1.92，L表示SiO2的折射率1.46，设计时所使用的控制波长为880nm。优化后的P光和S光的透射率随波长变化的理论曲线下图所示。由图中曲线可见：控制波长与中心波长的关系为1.3:1。

薄膜偏光分束镜的优化设计和制备宽带高消光比薄膜偏光镜的优化设计性能非常优良，在中心波长处的消光比也很高。薄膜偏光分束镜的优化设计和制备图

膜系G/0.5HL(HL)^13H0.5LH/设计产的S光和P光的透射比与波长的关系曲线

薄膜偏光分束镜的优化设计和制备薄膜偏光分束镜的镀制高阀油扩散泵预阀机械泵低阀放气阀单色仪光电倍增管光放大仪图真空镀膜机结构图薄膜偏光分束镜的优化设计和制备薄膜偏光分束镜的镀制

在实际镀制过程中采用高级次控制的方法，即用440nm的两个λ/4极值来控制880nm的一个λ/4极值，

可以有效提高薄膜光学厚度的控制精度。整个操作过程如下：（1）玻璃基体的清洗；

（2）镀膜前的准备；

（3）膜厚控制方法：由于所镀制的膜层达到29层，故采用透射光路控制；采用高级次控制方法以提高膜厚控制的精度。即用440nm的两个1/4的极值厚度来控制880nm的一个极值的厚度。（4）镀制：使用电子枪方式，

（5）棱镜的胶合：在棱镜镀制完等充分冷却以后，从真空室中取出，擦试干净后用冷衫树脂（加拿大胶）胶合。

总结ABDCFEG图消光比测试光路A、B、C、D、E、F、G分别为He-Ne激光器、1/4波片、薄膜偏光分束镜样品、格兰－泰勒棱镜、定标衰减片组、光电倍增管、高压电源及显示器样品1234消光比1.2*10-4

1.4*10-4

1.1*10-3

1.3*10-3

样品样品A（样品1、2组合）样品B（样品3、4组合）消光比3.2*10-5

2.9*10-4

表1薄膜分光镜样品透射光束消光比的测试结果

表2组合薄膜偏光分束镜消光比的测试结果

消光比总结样品的透射光谱

由图中曲线可以看出：样品的透射光谱测试结果与理论曲线基本相符。P振动存在低透射点。

查新以LaK2（镧火石玻璃）为基体材料，消光比达到量级，且双棱镜结构的薄膜偏光分束镜的研究文献在所检领域未见报道。总结本研究课题的主