宽波长宽角度消偏振分光镜设计

　　1　概　述

　　薄膜设计中消偏振问题比偏振设计更困难,至今还没一个十分有效的设计方案。我们的目的是要设计一组T/R=1的宽波长宽角度消偏振膜系。设计采用空气中的入射角度为±8°和入射波长为420~680nm,故消偏振设计非常困难[1]。

　　薄膜之所以会产生偏振现象,是由于光在倾斜入射的情况下,不但其各层膜的有效厚度变薄,而且由于要求电场和磁场在每一个界面上的切向分量均为连续,使薄膜对s偏振光和p偏振光表现出不同的有效折射率。

　　很多情况下,这种偏振效应是必须消除或减少的,如倾斜使用的介质分光镜就是如此[2]。消除薄膜系统的偏振效应是一个棘手的问题,目前人们掌握的消偏振设计手段还不很多。

　　2　膜系设计原理

　　当光线倾斜入射时,ηp和ηs不同,将引起偏振分离Δn,通常Δn定义如下:

　　式中θ0和θ分别为光在入射介质和膜层中的入射角,n0和n分别为入射介质和膜层的折射率。显然,对一个单层膜要实现消偏振是不太可能的,Δn是一个恒大于1的量,其中ηp大于ηs。对确定n0和n,Δn随入射角θ0增大而增大。对一个确定的入射角θ0,入射介质n0越高,偏振分离Δn也

越大。因而封闭在胶合棱镜中的膜层的偏振效应更为显著[3]。由于入射介质和基板均采用K9玻璃,因而比用低折射率的石英基板难度更大。

　　1970年Costich运用等效折射率的概念设计消偏振膜系[4]。此方法因为反射率很低,且不可调节,故实用价值不大。1974年Mahlein[5]提出用两层膜组成的基本周期膜系设计消偏振膜系。由于这种设计要求膜层材料的折射率远远超出实际使用的材料,因此实际应用中也很难采用此种设计方法。1976年Thelen[6]提出将膜层、基片和入射介质统一考虑的消偏振方式。此法由于膜层的折射率变化对消偏振的性能影响十分敏感,加之膜系层数较多,所以实际中难以制备。这些方法都是全介质消偏振的方式,虽然膜系的吸收可以忽略,但是不能达到宽波长宽角度消偏振。

　　光波在介质中传播时是横波,但光波在金属中传播就不再是纯横波,它还有一部分是纵波,因此偏振效应较小。加之,金属膜中性好,所以采用介质—金属—介质消偏振膜系比全介质消偏振膜系有更优良的特性。

　　3　立方棱镜宽波长宽角度消偏振分光镜设计

　　本设计的思路如下:首先选择金属材料。金属膜p偏振反射率的最小值可近似表示为:

　　由上式可见,提高金属膜的光学常数的比值k/n,则RPmin增大,于是偏振效应减小。在可见光区,银有最高的k/n值、最小的偏振效应和较好的光谱中性,因此银膜在可见光区是良好的消偏振金属膜层。虽然银膜的附着力差,机械强度和化学稳定性也不好,但是可以应用在胶合棱镜中。分光镜的R/T值决定于银膜的厚度。本设计中要求R/T=1的分光镜,银膜的厚度为24nm左右。其次再设计金属膜两侧的匹配膜系。银膜两侧介质材料相同,入射角相同,对同一厚度的银膜而言,介质折射率越大,偏振效应越小,光谱中性越好,同时考虑玻璃的消偏振,所以选在可见光区折射率2.35的ZnS。