近红外消偏振分光膜设计

《近红外消偏振分光膜设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、万方数据第23卷第12期2011年12月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSV01．23。No．12Dec．，2011文章编号：1001—4322(2011)12-3275-04近红外消偏振分光膜设计。王文梁(南昌大学物理系，南昌330031)摘要：大角度倾斜入射时，光学薄膜表现出强烈的偏振效应。入射光S分量和P分量的反射率和透射率曲线，以及反射或透射引起的两个分量的相位变化都不再相同，彼此有一定的偏振分离。通过对产生偏振效应内在原因的分析，采用一个在近红外波段对于45。倾斜入射光的S分量和P分量等效导纳非常接近的膜系结构，结合单纯形法

2、优化算法，设计得到一个15001600nm范围内反射率都是50％的近红外消偏振分光膜。结果显示，在45。入射时，S分量和P分量的反射率曲线偏振分离小，反射和透射引起的相位变化也控制在很小范围。关键词：近红外；分光膜；偏振效应；等效导纳中图分类号：0484文献标志码：Adoi：10．3788／HPLPB20112312．3275光学薄膜具有良好的牢固性和光学稳定性，且质量较轻，因此在各类光学系统中应用极为广泛。对于某些应用场合的光电产品，甚至到了不镀膜就无法正常工作的地步。它一般是通过在光学玻璃、光学塑料、光纤、晶体等各种材料的表面镀制一层或多层薄膜，基于薄膜内的干涉效应来改

3、变反射光或透射光的光强、偏振状态和相位变化。而许多现代光学系统为了实现像的旋转、不同光路的叠加以及激光腔的折叠等，其光轴都是弯曲的，会遇到很多倾斜入射的光学元件。光在倾斜入射时，由于膜层对两个偏振状态的有效折射率不同，引起反射率、透射率和相位移动都不同，因此在反射光和透射光中会引入偏振效应。这一现象对大多数光学系统带来的都是光学性能的劣变，消除倾斜入射时偏振效应的影响是光学薄膜设计与制造领域的一项难题‘1。。理想的消偏振膜系设计，应该在一个较大的波长范围内，使S偏振光和P偏振光具有相同的反射率和透射率特性，以及很小的相位延迟。要使入射角具有一个合理的范围，而且要没有吸收。金

4、属材料相对于全介质材料，具有比较小的偏振效应。因此，采用包括金属层的多层膜设计能在较大的波长范围内使S偏振光和P偏振光具有近似相同的特性[2．5]，但金属材料的强烈吸收在激光系统中是一个问题。为解决薄膜的消偏振问题，曾经有过大量的研究工作。Baumeister和Costich是比较早考虑消偏振理论的，但在工作波长范围内，在实际能找到的折射率材料范围内，他们并不能得到期望的解[6。]。1976年，Thelen理论研究了采用3种或4种材料的组合，有可能得到满足要求的解。然而，他论文中提出的消偏振分光膜的工作波长范围是非常有限的‘81。接下来，有很多致力于采用全介质材料来设计消偏

5、振分光膜的报导。近些年，也有很多采用数值方法的优化设计，取得了一些不错的结果r争12]。以上结果多为可见波段范围，而实际应用中常用的近红外波段的相关研究较少。本文通过对偏振效应的主要表现和内在原因分析，采用了一个对倾斜入射光S分量和P分量的有效导纳非常相近的膜系。设计了近红外波段1500"～1600nm范围内，入射角为45。的宽波段消偏振平板分光膜。l薄膜偏振效应光波是电磁波，根据麦克斯韦方程，介质的光学导纳为N_器(1)式中：E为电矢量；H为磁矢量；K为波数。在光波段，磁导率肛是足够接近于1的，介质的光学导纳在数值上等于介质的折射率。又根据波动光学理论，当一束光以口角倾斜

6、入射到薄膜上时，一般情况下，反射光和透射光都是部分偏振-收稿日期：2011-04·08-修订日期：2011-09—15作者简介：王文粱(1978一)·男．博士，讲师．主要从事光学薄膜方面的研究工作·W．1．wang@163．corn．万方数据强激光与粒子柬第23卷光。常将自然光分解为相互垂直的两部分，一部分是电矢量垂直于入射面的分量，称TE波或S偏振光，另一部分是电矢量平行于入射面的分量，称TH波或P偏振光。对于入射光波是P偏振波时，这时光波的磁矢量与界面平行，则磁矢量平行于界面的分量H。一H，而电矢量E与界面成倾斜角0，因此电矢量平行于界面的分量E。=Ecos0，分别代入

7、式(1)，有肛I鬻I‘㈤因此，可定义此时介质的等效光学导纳为17p2面1N(3)入射光波是S偏振波时，这时光波的电矢量与界面平行，而磁矢量H与界面成倾斜角0，因此E。一E，H。一HeosO分别代入式(1)，同样有N_l志l㈥因此，可定义这时介质的等效导纳为啦一Ncos8(5)根据电磁场边界连续性条件，在折射率为竹。和咒：的两介质分界面上，以0。倾斜角入射时，S分量和P分量的反射系数分别为f一!!!竺!旦!二!!!旦!鱼rsnlcosoa+nzcosOz(6)r．=—nlcosOz--—nzcosOl【叩竹1cos0