可见光消偏振介质分光薄膜的研制

祖兴宇　李琳　付秀华

摘 要：在现代光学测试和光学应用中，基于分束镜的分光效率特点，研制出了一种高稳定性的介质消偏振分光膜。光消偏振介质分光薄膜采用了等效折射率和等效厚度的选材方式，并对高低折射率材料的匹配进行了优化处理，得到了高低折射率材料组合的优选结果。发现了中心波长对消偏振分束镜的反射光与透射光影响的因素，探讨了一种低误差灵敏度的高稳定性介质分光膜设计方法，其特点是膜系结构简单，易于批量生产，并研制出较为理想的宽波段与广角度变化的中性介质分光膜。

关键词：介质分光膜 消偏振 等效折射率 宽波段 分光效率

中图分类号：O484 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（a）-0001-03

分光膜被广泛应用在各类的光电仪器、激光、光电显示设备和光存储等领域，并在分束镜应用中起到了至关重要的作用[1]。通常情况下分束镜总是倾斜着使用，它能方便地把入射光分离成反射光和透射光两部分。在可见光范围内，透射和反射比为50/50的中性分束镜最为常用[2]。当分光膜用于光线倾斜入射时，不可避免地会产生偏振效应，可以利用偏振效应来设计偏振分光膜[3]。

理想的消偏振分光膜，应该在一个较宽的波段范围内，使S偏振光和P偏振光具有相同的反射率和透射率，使入射角具有一个合理的范围，而且没有吸收[4]。Doak[5]和Costich[6]较早提出消偏振理论，但是可选择的工作波长和薄膜材料受到限制，而且工作波长和入射角的范围都非常有限，没有达到理想的消偏振效果。该文利用Global Optimization和Needle合成法，设计并研制了在可见光范围420～680nm波段与40°～50°角度变化的介质消偏振分光膜。

1 膜系设计与材料选择

1.1 偏振理论

式中和分别为光在入射介质和膜层中的入射角，和分别为入射介质和膜层的折射率。由此容易看出，（1）式是一个恒大于1的量，因此一个单层膜必然有偏振分离，其中。对于一个确定的入射角而言入射介质折射率愈高，偏振分离也愈大，因而封闭在胶合棱镜中的膜层的偏振效应更为显著。当时，，在波长位置将没有偏振分离。

1.2 高低折射率材料的选择

在可见光波段常用的高折射率材料有Ta2O5、TiO2、Ti3O5、ZrO2，可选择的低折射率材料有SiO2和MgF2，由于材料折射率的色散强度随波长改变的特点，需要选择合适的镀膜材料，经过实验测试得到几种材料的折射率色散曲线如图1所示。

由图1可知，TiO2的折射率要高于Ta2O5的折射率，通过实验发现Ta2O5材料的镀制工艺没有TiO2稳定，故选择TiO2为高折射率材料。

这里为位相厚度，、分别为高低折射率材料的折射率，当为TiO2、为SiO2时当。当等效折射率0.7059，1.4166，即2.0068；当为TiO2、为MgF2时，等效折射率0.6797，1.4709，即2.6140。故SiO2与MgF2均能满足要求，但是由于等效折射率比值可知，SiO2和TiO2的组合优于MgF2和TiO2的组合，并且SiO2抗腐蚀能力强，故最终采用SiO2为低折射率材料。

1.3 膜系的设计

由上述理论可知当时，，在波长位置将没有偏振分离，因此应用TFCalc膜系设计软件对初始膜系G|HLHL|A使用Global Optimization方法进行初步优化，得到的膜系基本符合要求，在此基础上采用Needle合成法再次对膜层优化处理得到理想设计曲线如图2所示。

其中L、H表示SiO2、TiO2材料在入射角为的厚度，设计的膜系为：G|0.33H 0.88L 0.47H 1.3467L 0.92H 1.46L 1.21H 0.82L|A，可选取的中心波长有 ，通过模拟三种中心波长均满足1：1分光要求，但考虑到本实验的消偏振要求，进一步进行偏振效应分析，偏振曲线如图3所示。

由图3可知中心波长在10nm左右变化时对分光效果的影响很小，而对偏振效果的影响较为明显，如波长为580nm的P光与S光偏振分离较大，由上述测试结果判断中心波长选取570nm更为合理。并对比了角度由40°～50°广角度变化的分光膜曲线如图4所示，图5为45°入射分光膜的偏振曲线。

考虑到薄膜实际制备过程中存在的参数误差，进一步采用蒙特卡罗方法对该设计的敏感度进行分析。图6：a为薄膜物理厚度2%时的相对误差，b为折射率参数2%的相对误差，c为薄膜材料同时具有物理厚度和折射率参数2%的相对误差时该设计的光谱性能变化。

可以看出，基于蒙特卡罗方法的敏感度分析以上3种误差情况下引起的性能劣变还是比较小的。采用离子束辅助或溅射等IC/5控制膜层厚度，经工艺优化将薄膜厚度误差控制在2%是可行的，工艺参数如表1所示。

2 结语

分光膜的制备工作是在700型真空镀膜机上完成的，该镀膜机配有惠州奥普康OpCo电子枪，此电子枪蒸发速率稳定，并且与晶控配合实现了自动镀制光学薄膜。由于镀制薄膜的薄膜材料的吸收对分光薄膜的分光效率有影响，故在基片背面加镀一光学增透薄膜修正分光比为1：1。基片背面镀制的增透薄膜曲线如图7，入射角为45°时的分光薄膜曲线如图8。

经过测试镀制出来的420～680nm的单面增透膜的平均透过率为95.314%，分光膜满足了40°～50°入射角变化并且平均反射率误差<0.8%。并实现了介质分光膜的消偏振效果，由于采用的材料都是介质材料，吸收基本可忽略，则两个分量的透射率特性也基本相同。而且反射或透射引起的两个分量间的相位延迟也都满足设计目标，并控制在较小的范围。

发现波长在690nm处分光强度随角度变化并不明显，此波段可对690nm半导体激光器的应用产生促进作用。例如：高速计算机网、航空电子系统、卫生通讯网、高清晰度闭路电视网等。其他应用包括高速打印、自由空间光通信、固体激光泵浦源、激光指示，及各种医疗应用等。

参考文献

[1] Feng J，Zhou Z. Polarization beam splitter using a binary blazed grating coupler[J].Optics letters，2007，32（12）：1662-1664.

[2] 唐晋发，顾培夫.现代光学薄膜技术[M].浙江：浙江大学出版社，2006：20-36.

[3] 孔明东，李瑞洁.光学平板偏振分光镜对称膜系的优化设计[J].强激光与粒子束，2000，12（1）：61-64.

[4] 李明宇，顾培夫.近紫外区宽角度消偏振平板分光镜[J].光子学报，2003，32（10）：1231-1233.

[5] Doak J，He J，Blum I，et al.Thermodynamic Effects of Na on the Morphology of PbTe-PbS Nanostructured Thermoelectrics[J].Bulletin of the American Physical Society，2013（58）.

[6] Costich VR.Reduction of polarization effects in interference coatings[J].Applied optics，1970，9（4）：866-870.

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