高效红外反射偏振器的研究

　　1　前　言

　　光由透明物体表面反射产生偏振现象最初是由马吕斯[1]于1809年发现的。此后不久,布儒斯特[2]由实验确定了起偏振入射角(现在被称为布儒斯特角)的正切等于反射材料的折射率。其后,菲涅耳[3]从理论上推导出了光在表面反射的一般定律,布儒斯特定律则可作为该定律的一种特殊情况直接得出。

　　目前最简单的反射偏振器仍然是被抛光的介质基底表面。当光以布儒斯特角B入射其上时,B=tan-1n,此处n是基底的折射率。此时,P偏振分量在反射光中被抑制,而S偏振分量的反射率可由下式给出:

　　由方程(1)明显地看出,为了得到S偏振的高反射率n值必须尽可能地高,例如,为了达到RS>50%,n值必须超过2+1,即2·414。在可见光谱区域中,缺乏足够高折射率的透明基底。然而,在红外区Si和Ge这样的半导体材料变为透明并且具有必要的高折射率值。在红外光谱区应用半导体材料基底布儒斯特角反射偏振器(BARP)已有文献报导[4],例如,Ge在红外光谱范围(2~13μm)具有折射率n 4[5],由方程(1),在B=75.96°下给出RS=77.85%。虽然这一反射率是可观的,但是对于高功率激光器来说,它还不够高。

　　另一种最简单的反射偏振器是用透明或吸收基底镀以透明的薄膜而组成。这种反射偏振器的机理是由于在薄膜中对于某一种偏振分量(P或S)相消干涉的结果,或至少是部分相消干涉的结果。当P分量被抑制时,未被抑制的S分量达到较高的反射率。这种类型的偏振器如镀于玻璃上的TiO2,已有文献报导。对于可见光(λ=550nm)来说TiO2的折射率为2·5,而玻璃的折射率为1·5,在起偏振角P=74.53°时由下述方程(7)和(11)计算得S偏振反射率RS=79.40%。这种性能是可以与红外区Ge的BARP相比拟的,或者要比其稍好些。为了进一步使RS>90%,后来采用了吸收基底[6](金属基底)。然而,使用金属基底的一个严重缺点是不被反射的分量,由金属基底所吸收多达输入辐射的一半,致使在高功率激光器应用中要求对起偏振反射镜强迫冷却。因此,在这种情况下应用吸收基底显然是不合理的,必须考虑一种全介质的设计。

　　文中主要目的是阐述在红外区的薄膜反射偏振器,没有必要应用金属基底。在可见光和紫外光谱区,透明高折射率薄膜和低折射率基底的选择,受可利用材料和RS要求上限值的制约(例如,对于TiO2-玻璃系统,这一上限值RS 80%)。然而,这一限制在红外区实际上是不存在的。此处给出了在低折射率介质基底上(MgF2和玻璃)应用高折射率的半导体薄膜(Ge和Si)制备的高效(RS≥95%),P分量抑制,薄膜-基底全透明红外反射偏振器。应用两个以上这样的起偏振反射镜构成的多次反射系统可以达到: