反射式相位延迟器的性能研究

　　1　引　言

　　反射式相位延迟器能对入射偏振光的p, s分量的相位发生改变,从而产生一定的相移,但是并不影响其高的反射率。λ/4相位延迟器(QWR)对每个波长在主角范围内均能获得±90°相移,即对入射线偏振光产生±90°相位变化,把线偏振光变成圆偏振光,反之亦然,该器件分为外反射式和内反射式两种[1~8]。该类器件在具有波片功能的同时,还可用作光束相移转向器件及光束相移平移器件等,这些功能是透射波片所不具备的[9]。

　　本文对入射角为45°全介质层的相位延迟片进行设计和对相位特性进行层敏感性分析,用离子束溅射沉积法制备并对样品进行退火,同时用分光光度计测试了光谱特性和用椭偏仪测试了相位特性,最后对相位特性进行误差分析。

　　2　设计要求与实例

　　通常,单片式相位延迟器是要求以一定的角度入射,在使用波长处,使得其反射率高于99%和相移为±(90°±10°)。对于入射光源为1315 nm的氧碘激光器,设定其入射角为45°,选用折射率为1.52的基底,采用Ta2O5,SiO2材料。初始膜系采用常用的高反膜系,即其中g1,g2,g3,g4,g5,g6代表的是λ/4周期膜层前的系数,即这些λ/4周期膜层的参考波长是不一样的;a1,a2,a3,a4,a5,a6代表的是λ/4周期膜层的周期数,H代表的是高折射率材料Ta2O5,L代表的是低折射率材料SiO2。选取的优化目标是在1285~1345 nm之间,其反射率大于99.5%,相移为270°。设计结果如图1所示。

　　3　膜层的敏感性分析

　　图2中横坐标代表膜的层数,纵坐标代表相移的变化。横坐标从右向左代表从基底向入射介质过渡,图中曲线每一个点说明只有该点处的膜层光学厚度发生变化而其他膜层是不变的;上面的曲线代表每点处的光学厚度变化3.6 nm,下面的曲线代表每点处的光学厚度变化-3.6 nm。从图2可以看出,最外的8层(不包括第2,3层)对相移比较敏感,然后趋于平缓。由于越接近基底,膜层误差对相移影响越小[10],故忽略对最后21层(该膜系总共41层,图中分析的是前20层)的敏感性分析。

　　4　制　　备

　　样品制备前, K9基底采用去离子水浸泡10 min,然后用石油醚擦洗。采用双射频(RF)离子束溅射镀膜机制备,其中一个是16 cm的溅射源,另一个是12 cm的辅助源。Ar和O2供给射频离子源和靶材,溅射源的Ar流量是48 mL/min,射频中和器的Ar流量是5 mL/min,辅助源的Ar和O2的流量比1∶4(3 mL/min∶12 mL/min),吹向靶材的O2的流量是25 mL/min。其溅射靶材是纯度为99.999%的SiO2和纯度为99.999%的Ta,Ta2O5是由Ta溅射后与纯度为99.995%O2反应生成的。

　　其本底真空为4.0×10-5Pa,制备过程中真空为4.8×10-2Pa,烘烤温度为136℃。为了准确地实现所设计的膜系,分别对每种材料的薄膜的折射率和沉积速率进行定标。膜层的物理厚度是用时间控制法来实现的。首先用一定的时间做一定厚度的单层薄膜,然后测量出其光谱曲线,根据柯西公式准确地确定出折射率和物理厚度[6]。最后分别算出沉积速率:Ta2O5为0.272 nm/s;SiO2为0.225 nm/s,折射率在1440 nm波长处分别为2.076和1.473。