ZrO2/SiO2棱镜偏振膜的膜系优化设计与制备

引　言

在进行激光调制和激光隔离时,常常需要把普通激光变成偏振光,这时需要起偏元件。一般起偏器和检偏器用双折射晶体制成[1, 2],但随着激光工作的发展,对偏振器的质量要求越来越高,对偏振片的尺寸要求越来越大。这时,仅仅依赖于晶体偏振器就比较困难,为了适应这种要求可以采用薄膜偏振片。用介质膜堆构成的薄膜偏振分光镜因具有大口径、低损耗、系统设计灵活等优点而在光学技术领域得到了广泛应用[3~5]。

目前,物理气相沉积法镀膜常用材料为MgF2,SiO2,ZrO2,TiO2和HfO2等,笔者采用ZrO2和SiO2为膜料镀制棱镜偏振膜,对膜系的最佳优化进行了系列探讨,通过对膜系的优化,制备出了较好的棱镜偏振膜,并对其光学性能进行了测试。最后,适当探讨了参考波长对偏振膜的性能的影响。

1　膜系设计

棱镜偏振分光镜通常是利用实现偏振条件的关系式               来设计,此时入射角对两种不同折射率材料的界面满足布儒斯特角,这样p偏振光的反射完全消失。为了对两种不同材料满足布儒斯特角条件,p偏振光的有效折射率必须相等,即: nh/cosθh=nl/cosθl,同时符合折射定律,即:nhsinθh=nlsinθl=n0sinθ0;其中,θ0为偏振膜的入射角,θh为射入高折射率膜料的折射角,θl为射入低折射率膜料的折射角,n0为基底折射率, nh为高折射率材料的折射率,nl为低折射率材料的折射率[6, 7]。对于给定的两种高低折射率材料,可以通过两种方法满足上式:一种是给定入射角度,设计入射介质(棱镜)的折射率;一种是给定棱镜折射率,设计入射角度。

当偏振条件不满足时,p偏振光将出现窄而有一定深度的反射带,此时满足高的消光比的带宽将变窄,但在一定的波长范围内仍具有较好的偏振特性。在实际制备中,对于常用膜料和基底材料,很难满足上面偏振条件关系式,而且物理气相沉积条件的波动也限制了偏振条件的满足。在设计中发现,不满足偏振条件关系式的膜料和基底的折射率组合在某个波长处完全可以实现较好偏振分光的性能。

在实际应用中,通常是利用某个波长的偏振特性。笔者从实际制备和批量生产的角度出发,使用不满足偏振条件关系式的常用膜料(如ZrO2和SiO2膜料光学性能优良,沉积工艺稳定)和基底材料(如K9玻璃化学性能稳定、加工方便、价格低)的组合,通过对多层膜系的优化设计来实现偏振性能优良,带宽相对较宽的窄带偏振分光膜;同时,可以通过对偏振膜镀制过程中监控波长的改变来灵活实现满足在不同波长处具有优良偏振特性的偏振膜,薄膜偏光分束镜及膜层结构见图1。

笔者设定采用折射率为1. 52的K9玻璃作为入射介质(棱镜), SiO2的折射率为1. 46, ZrO2的折射率为1. 92,要达到的指标为:取入射角θ=45°,在波长540nm处满足Tp>99%,Ts<1%。