基于復(fù)振幅理論的106m紅外偏振分光膜的設(shè)計

0晶體型偏振器件在調(diào)整和切割激光時，通常需要將普通激光變成偏振光。因此，有必要在光纖通信、光纖傳感器、光學(xué)是非輻射、光譜顯微鏡和光學(xué)記錄等領(lǐng)域廣泛傳播。它們依據(jù)的原理是對線性偏振光(p-光或s-光)的破壞性干涉或是對正交偏振光的構(gòu)造性干涉。晶體型偏振器件由于天然晶體純度不高、口徑小、加工復(fù)雜、價格昂貴,而限制了其使用范圍;傳統(tǒng)偏振分光鏡消光比低、入射視角范圍小、帶寬不大,也嚴(yán)重地限制了此類光學(xué)偏振器件的發(fā)展。在近期的研究中,Li和Dobrowolski利用受抑全內(nèi)反射(FTIR)原理和薄膜干涉理論設(shè)計出了一種高性能偏振分光膜,但是,此種方法對膜系材料和棱鏡材料的折射率有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)定義,很難找到匹配條件的膜料。2006年,Azzam和Perla提出了利用復(fù)振幅概念進(jìn)行基于FTIR的PBS的設(shè)計理論,此方法可以使設(shè)計人員輕易獲取所選膜料的厚度值來構(gòu)建初始膜系結(jié)構(gòu),而不受膜料材質(zhì)種類的限制。利用此方法設(shè)計了一種高反射光消光比(102～103)、大入射角范圍(玻璃中±5°)、帶寬范圍10500～10700nm的偏振分光鏡,綜合性能優(yōu)于MacNeille型偏振分光鏡。1受抑全內(nèi)反射法當(dāng)光線從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)中,入射角大于全反射臨界角時,在兩介質(zhì)分界面處將發(fā)生全反射。由波動公式可知,這種波動僅能緊貼入射表面,為波長數(shù)量級,將一合適的介質(zhì)靠近界面,調(diào)節(jié)兩者的間隙,可將倏逝波耦合輸出,這種現(xiàn)象稱為受抑全內(nèi)反射。其透射率是膜層厚度、材料折射率及入射角度的函數(shù)。這樣就可以從理論上拋棄光束在膜系每個界面滿足布儒斯特角條件的傳統(tǒng)偏振棱鏡的設(shè)計方法。如圖1所示:膜層被夾在兩個棱鏡之間,假設(shè)n0>n1,n2≥n0,棱鏡中入射角是,其中在0-1界面上遠(yuǎn)大于臨界角,此時FTIR就會發(fā)生。2確定膜厚值的方法如圖2所示,斜入射情況下,反射系數(shù)一般為復(fù)數(shù)。式中:δ為光線斜入射時的相位厚度,設(shè)則可以得到:Zi是相對于正入射條件下1/4波長的第i層薄膜的一個標(biāo)準(zhǔn)化厚度。則可以得到:可見,X1既是薄膜厚度d的函數(shù),又是反射系數(shù)的函數(shù),通過對多層膜的反射系數(shù)的計算,就可以找到不同膜料之間厚度的函數(shù)關(guān)系式,從而可以確定膜厚值。圖2中一單色光束在折射率為n0的棱鏡介質(zhì)中傳遞,以垂直于棱鏡外界面入射到嵌入中心對稱薄膜層(ABA),如圖3所示,入射角準(zhǔn)0遠(yuǎn)大于臨界角準(zhǔn)c01=arcsin(n1/n0)。利用魯阿得法可以推導(dǎo)出3層對稱膜系的v偏振光(v=p或v=s)復(fù)振幅入射系數(shù)表達(dá)式:其中對于嵌入到高折射率棱鏡中的m層中心對稱周期膜系,反射系數(shù)有更一般的表達(dá)式:根據(jù)p-光和s-光的導(dǎo)納不同,可以得到ij界面的復(fù)指數(shù)反射系數(shù):對于3層對稱膜系,抑制v偏振光的反射,即Rv=0,解方程:可以得到:這樣找到了(Z2,Z1)對應(yīng)于(X2,X1)的關(guān)系式。通過這個關(guān)系可以確定低折射率和高折射率膜層在滿足FTIR條件下偏振分光時的厚度關(guān)系,下一部分對此進(jìn)行模擬。3初始膜系等效位相的建立選用紅外窗口材料:棱鏡材料為ZnS(n=2.2),透光波段0.38～25μm;高折射率材料為Ge,nH=4.2,透射波段1.7～25μm;低折射率材料為CaF2(IR),nL=1.24,透射波段0.15～12μm;入射角范圍為45～85°。針對Ge薄膜應(yīng)力較大的特點,Ge和CaF2都采用熱蒸發(fā)的方式制備。仿真曲線如圖3所示。如果選擇波長λ=10.6μm,從圖4中可知:入射角大于60°(光線從ZnS層入射到CaF2層的臨界角是39.5°)時,曲線簇有交叉點A,其中60°和85°曲線的交匯點坐標(biāo)Z1=0.17801,Z2=1.396668,因為Zi=4dini/λ,則對應(yīng)的厚度值d1=336.9475nm,d2=929.29255nm。因為對稱膜系在數(shù)學(xué)上都存在等效折射率和等效位相,利用膜系設(shè)計中的等效折射率概念,建立初始膜系[(n1,d1)(n2,d2)(n1,d1)]N,這是一個3層中心對稱周期膜系,N=4,入射角范圍是65～75°,中心波長λ=10.6μm。通過Macleod優(yōu)化可得p-偏振光和s-偏振光的分離曲線,如圖4所示。從圖4可知:p-偏振光的透過率曲線Tp>92%,s-偏振光的反射率曲線Rs>93%,要想得到更高的透射率和反射率,可以通過增加膜系周期來實現(xiàn);反射消光比102～103,部分s-偏振光的透過率過大導(dǎo)致透射光消光比低,因為在數(shù)學(xué)上只對p-偏振光進(jìn)行了抑制計算。由于CaF2材料在紅外區(qū)域存在很強烈的吸收,故在中遠(yuǎn)紅外波段處設(shè)計結(jié)果良好,可以滿足大多10.6μm波長處偏振分光的需要,在實際使用中,需要對棱鏡的入射和出射界面鍍高透膜。4macleod多周期設(shè)計通過以上設(shè)計結(jié)果可以得出:利用薄膜理論的復(fù)振幅概念,基于受抑全內(nèi)反射現(xiàn)象,可以找到一個3層中心對稱膜系的理想初始結(jié)構(gòu),通過Macleod進(jìn)行多周期設(shè)計和優(yōu)化,其設(shè)計結(jié)果可以達(dá)到大多數(shù)長波紅外偏振器件的要求。本設(shè)計有如下優(yōu)點:入射角范圍廣(