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消偏振分光镜的设计与特性分析 摘要 当光线倾斜入射时，膜层不可避免地会产生偏振效应，尤其是封闭在胶 合棱镜内的膜层更是如此。在很多实际应用中，这种偏振效应是有害的，因此 必须消除。迄今为止，能够在振幅和相位两个参量都达到消偏振效果的消偏 振分光棱镜( n o n p o l a r i z i n gb e a ms p l i t t e r s ：n p b s s ) 尚未见报道，消偏振分光镜 反射相移的问题一直被忽视。此外，目前见于报道的相关研究多集中于可见 光波段，但随着现代光学技术的发展，对于红外波段的n p b s s 的工程需求同 益增长。目前的研究状态显然不能满足工程实际的需求。第三，目前已见报 道的n p b s s 的光谱带宽最多到2 0 0 n m ，远不能满足某些工程需求。论文针对 上述三个问题开展了研究与探索，因此论文的选题具有一定的理论意义和重 要的实际应用价值。 论文详细地综述了消偏振膜系的研究发展和多种消偏振技术手段，特别 是g i l o 的消偏振分光器设计思想；利用特征矩阵计算方法，对可见波段的消 偏振膜系进行了验证，为红外消偏振分光膜系的设计奠定了基础。 论文重点研究了n p b s 的相位特性，设计出了振幅和相位两个参量都达 到要求的n p b s ；探讨了将工作波长外推至红外波段的设计方法并成功地提 出了6 种设计方案；探讨了拓宽n p b s s 带宽的设计方法并实现了具有3 0 0 n m 谱宽的n p b s s 设计。 论文所作的研究工作总结如下： 1 设计了分别以z f 7 玻璃、k 9 玻璃为基底材料的新型红外波段消偏振 膜系。根据受抑全反射原理设计的消偏振膜系及金属介质消偏振膜系可以满 足分光比消偏振的要求，但是反射相移有些偏大。 2 首次研究了非对称结构的n p b s ，提出了2 种不同的结构设计，利用 n e e d l e 法对膜系进行了优化，优化后2 个偏振分量都实现了5 0 反射、5 0 透射的目标，且其偏差不超过2 ，带宽为2 0 n m 。分析了硫化锌( z n s ) 、氧 哈尔滨。1 i 程人学博十学位论文 化铝( a 1 2 0 3 ) 、二氧化硅( s i 0 2 ) 构成的n p b s 的性能，分析了入射角、膜 材料折射率的改变对消偏振性能的影响。 3 在分析了受抑全反射的相位特性的基础上，提出了基于受抑全反射原 理的消偏振条件新的分析方法，设计了超宽波段n p b s 。由k 9 玻璃和氟化镁 ( m g f 2 ) 构成的n p b s 在4 0 0 n m 7 0 0 n m 之间p 分量、s 分量的反射率与目标 反射率5 0 的偏差均小于2 ，但6 0 0 r i m 处p 分量的反射率和j 分量的反射 率之间偏差超过了2 ，为2 3 0 ，此设计最大的优点就是膜系的层数较少， 膜系仅8 层。 4 文中最后研究、设计了金属一介质膜的n p b s ，给出了全新的可见光 波段和红外波段2 种消偏振膜系设计方案。可见波段n p b s 消偏振带宽达 1 0 0 n m ，在分光比和反射相移2 个方面都达到了消偏振的效果：红外波段 n p b s 的反射相移完全满足式我们所要求的目标，2 个分量之间的反射率偏差 在1 2 6 0 n m 附近较大，为2 1 6 9 ，2 个分量的反射率与目标反射率之间的偏 差都小于2 ，基本都满足设计要求。满足设计指标的消偏振带宽达8 0 n m ， 在分光比和反射相移2 个方面均已达到了消偏振的效果。 根据正交共轭反射镜电流传感器研究的实际需要研制出了红外n p b s ， 实验测量结果为分光比接近l ：l ，反射相移小于5 度，表明该n p b s 的设计 方案可行。 关键词：光学薄膜：消偏振；反射相移：优化 a b s t r a c t w h e nu s e da to b l i q u ei n c i d e n ta n g l e ，t h er e f l e c t a n c ea n dt r a l l s m i t t a n c eo f t h i nf i l m se x h i b i ts t r o n gp o l a r i z a t i o ne f f e c t s ，p a r t i c u l a r l yf o rt h ef i l m si n s i d ea g l a s sc u b e h o w e v e r , f o rm a n ya p p l i c a t i o n st h i se f f e c ti su n d e s i r a b l ea n ds h o u l d b er e d u c e d u pt i l ln o w , b e a ms p l i t t e r s ( b s s ) w i t hn o n p o l a r i z i n ge f i e c t sb o t hi n a m p l i t u d e sa n dp h a s e sh a v en o tb e e nr e p o r t e d r e f l e c t i o n i n d u e e dr e t a r d a n c eo f n o n p o l a r i z i n gb e a ms p l i t t e r s ( n p b s s ) h a sb e e nn e g l e c t e da l la l o n g m o r e o v e r , a l m o s ta l lo ft h er e l a t e dr e p o r t sp u b l i s h e do nn p b s sf o c u so nt h ea p p l i c a t i o n si n v i s i b l eb a n d m e a n w h i l e ，h o w e v e r , t h ed e m a n d so fi n f r a r e dn p b s si n c r e a s ew i t l l t h ed e v e l o p m e n to fm o d e m o p t i c a lt e c h n o l o g y t h es t a t u so fn p b s sr e s e a r c hc a n n o to b v i o u s l yk e e pu pw i t ht h ed e m a n d so ft h ee n g i n e e r i n g t h i r d l y , t h ew o r k i n g s p e c t r u mw i d t h so fn p b s sr e p o r t e di sl i m i t e dt o2 0 0 n m ，f a rf r o mt h ed e m a n do f s o m ep r o j e c t s t h e s ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v ea r ei n v e s t i g a t e da n dd i s c u s s e di n t h i sd i s s e r t a t i o n t h e r e f o r e ，t h ew o r ki s s i g n i f i c a n ti nb o t ht h e o r e t i c a la s p e c ta n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s 。 t h e d e v e l o p m e n to fn p b s si se l a b o r a t e da n dt h e w a y so fn p b s ，s t e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yg i l o st h e o r ya r ed i s c u s s e d w i t ht h eu s eo fc h a r a c t e r i s t i c m a t r i c e s ，t h en p b s si nv i s i b l eb a n da r ec a l c u l a t e d ，w h i c hp r e p a r e sf o ri n f r a r e d n p b s s t h ep a p e rc o n c e n t r a t e so nt h ei n v e s t i g a t i o no ft h ep h a s e p r o p e r t i e so f n p b s s t h en p b s sp r o p o s e dh e r ec a n s a t i s f yt h et a r g e t si nb o t ha s p e c t so fa m p l i t u d e sa n d p h a s e s t h ed e s i g nm e t h o d so fn p b s sf o ri n f r a r e db a n da r ee x p l o r e da n ds i x d e s i g ns c h e m e sa r ep r o p o s e da n dd i g i t a l l yv e r i f i e d a l s ot h ed e s i g nm e t h o d sf o r e x t e n d i n gt h en p b s s b a n da r ei n v e s t i g a t e da n dt h ed e s i g n so f n p b sw i t h3 0 0 n m b a n dw i d t ha r ea c h i e v e d t h em a i np o i n t si n c l u d e di nt h i sd i s s e r t a t i o na l ea sf o l i o w s ： ( 1 ) n e wn p b s si ni n f r a r e db a n da l e i n v e s t i g a t e d f o rd i f f e r e n t g l a s s s u b s t r a t e s ，s u c ha sz f 7g l a s sa n dk 9g l a s s ，r e s p e c t i v e l y b o t hn p b s u t i l i z i n gt h e 哈尔滨1 ：程人学博十学位论文 p r i n c i p l eo ff r u s t r a t e dt o t a li n t e r n a lr e f l e c t i o n ( f t i r ) a n dm e n t a l d i e l e c t r i cn p b s c a l ls a t i s f yn o n p o l a r i z i n gt a r g e ti na m p l i t u d e s ，h o w e v e r , t h e i rr e f l e c t i o n - i n d u c e d r e t a r d a n c e sa r eu n d e s i r e d ( 2 ) n o n - p o l a r i z i n gb e a ms p l i t t e r s i na l l u n s y m m e t r i c a lg l a s s c u b ea r e p r o p o s e da n dt h e o r e t i c a l l yi n v e s t i g a t e df o r t h ef i r s tt i m e ，a n dn e wa p p l i e d e x a m p l e sa r ee x p l o r e d t or e a l i z et h ec h a r a c t e r so f5 0 r e f l e c t a n c ea n d5 0 t r a n s m i t t a n c ea ts p e c i f i e dw a v e l e n g t hf o rb o t hp o l a r i z a t i o nc o m p o n e n t sw i ma n e r r o rl e s st h a n2 t h en e e d l eo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u ei su s e dt oo p t i m i z et h e t h i c k n e s s e so f e a c hf i l mi nt h ed e s i g np r o c e d u r e sw i t ht h er e s u l t st h a ta ne r r o ri s l e s st h a n2 a n dt h ew i d t ho ft h en o n p o l a r i z i n gb a n di s2 0 n m m o r e o v e r , t h e e f f e c t so fs o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gt h ei n c i d e n t a n g l e a n dt h e m a t e r i a li n d i c e s ，o nt h en p b sc o m p o s e do fz n s ，a 1 2 0 3a n ds i 0 2a r ei n v e s t i g a t e d ( 3 ) b a s e do nr e f l e c t i o np h a s es h i f tp r o p e r t i e so ff t i rl a y e r , p o l a r i z i n gb e a m s p l i t t e r s ( p b s ) a n dn p b sc a n b ea c h i e v e d n o v e lm e t h o di n s o l v i n g n o n - p o l a r i z i n gc o n d i t i o ni nf t i rl a y e r si sp r o p o s e da n dt h en e wd e s i g n so f u l t r a - b r o a d b a n dn p b sc o m p o s e do fk 9g l a s sc u b ea n d m g f 2s h o w5 0 r e f l e c t a n c ea n d5 0 t r a n s m i t t a n c ef o rb o t hp o l a r i z a t i o ns t a t e sb e t w e e n4 0 0 n ma n d 7 0 0 n mw i t ht h ee r r o rl e s st h a n2 b u tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e np - c o m p o n e n ta n d s - c o m p o n e n ti s2 3 0 g r e a t e rt h a n2 t h em o s ta t t r a c t i v ef e a t u r ei st h a tt h e l a y e rn u m b e r o ft h i sd e s i g ni se i g h te n o u g hl e s st of a b r i c a t en p b s ( 4 ) a tl a s t ，m e t a l d i e l e c t r i cn p b s sa r ei n v e s t i g a t e da n dt w on e wd e s i g n sa r e g i v e n ，a p p l i e dt ot h ev i s i b l ew a v e l e n g t hb a n da n dt h ei n f r a r e dw a v e l e n g t hb a n d ， r e s p e c t i v e l y n o n p o l a r i z i n gb a n dw i d t ho fn p b sf o rv i s i b l eb a n di s lo o n m ，i n w h i c ht h eb e a ms p l i a e rr a t i oa n dr e f l e c t i o n - i n d u c e dr e t a r d a n c eo b t a i no u r t a r g e t s t h er e f l e c t i o n i n d u c e dr e t a r d a n c eo fn p b sf o ri n f r a r e db a n da c c o r d sw i t ho u r t a r g e t sg r e a t l ya n dt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nb o t hc o m p o n e n t sr e f l e c t a n c ea n dt h e t a r g e t r e f l e c t a n c ei sl e s st h a n 2 ， b u tt h er e f l e c t a n c ed i f f e r e n c eb e t w e e n p - c o m p o n e n ta n ds - c o m p o n e n ti s 2 16 9 b e y o n do u rl i m i t a t i o na t12 6 0 n m t h e 消偏振分光镜的设计与特性分析 b e a ms p l i t t e rr a t i oa n dr e f l e c t i o n i n d u c e dr e t a r d a n c eo fn p b sf o ri n f r a r e db a n d o b t a i no u rt a r g e t si nt h er a n g eo f8 0 n m a c c o r d i n gt ot h en e e do ft h eo n h o c o n j u g a t er e f l e c t o r c u r r e n ts e n s o r , t h e n p b sf o ri n f r a r e db a n di sm a n u f a c t u r e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e b e a ms p l i c e rr a t i oi sv e r yc l o s et o1 ：1a n dt h er e f l e c t i o n i n d u c e dr e t a r d a n c ei sl e s s t h a n5d e g r e e a l lt h e s ed e m o n s t r a t et h a to u rd e s i g n sa r ef e a s i b l e k e y w o r d s ：o p t i c a lt h i nf i l m ；n o n p o l a r i z i n g ；r e f l e c t i o n i n d u c e dr e t a r d a n c e ； o p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 一 日 埤 郴 些 加 111 儿 年 掌 夕 将 秒 者 期 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1光学薄膜的发展历史与现状 薄膜光学是现代光学的一个重要分支，光学薄膜技术是激光、红外及航 天等高科技所需的关键技术，光学薄膜技术的发展对促进和推动科学技术现 代化和仪器微型化起着十分重要的作用。光学薄膜是现代光学仪器和光学器 件的重要组成部分，它通过在光学玻璃、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，基于薄膜内光的干涉效应来改变透射光或反射 光的光强、偏振状态和相位变化。光学薄膜具有良好的牢固性和光学稳定性， 且质量极轻，成本相对来说比较低。它的光学厚度可以从几个纳米到几十甚 至几百个微米，因此光学薄膜在各类光学系统中应用极为广泛。 随着薄膜镀制技术的不断发展，光学薄膜形成了一套完整的光学理论一 薄膜光学，发展了自成体系的膜系设计方法，设计并制造了各类光学薄膜： 从功能上可以分为增透膜、高反膜、滤光膜、分光膜、偏振膜及消偏振膜； 从薄膜性质上可以分为均匀介质薄膜和非均匀介质薄膜：从应用波段上可以 分为x 射线薄膜、紫外薄膜、可见光薄膜和红外薄膜等。 薄膜光学早期历史可以追溯到1 8 世纪，罗伯特波义尔( r o b e r tb o y l e ) 和罗伯特胡克( r o b e r th o o k e ) 对“牛顿环现象的发现，可以说是薄膜 光学的萌芽。现在我们都清楚，它是光在单层薄膜中由于厚度的不同而产生 的干涉现象。但在那个时候，科学家还不能给出这一现象的合理解释，直到 1 8 0 1 年托马斯杨( t h o m a sy o u n g ) 在世界上第一次阐述光的干涉原理之后， 这一问题才得以解决。1 8 1 7 年，约瑟夫夫琅和费( j o s e p hf r a u n h o e r ) 用腐 蚀法制备了第一批减反射膜，标志着光学薄膜研制的开端。1 8 7 3 年，麦克 斯韦( m a x w e l l ) 出版了巨著电磁通论 2 1 ，阐述了光是一种电磁波，奠定 了分析薄膜光学问题所需要的全部基础理论。18 9 9 年，德国生产的法布里一 堕垄! 堡 矍叁堂堕堂笪丝塞 珀罗( f a b r y p e r o t ) 标准具是早期光学薄膜的典范，是带通滤光片的基本结 构形式。 1 9 3 0 年真空蒸发设备的出现，使薄膜光学的飞速发展成为可能【3 l 。在实 验室中相继制造出了单层反射膜、减反射膜、分光膜和金属法布罩一珀罗干 涉滤光片等光学薄膜器件。2 0 世纪中期，现代光学技术得到了飞速发展。薄 膜光学作为应用光学的一个重要分支，也随着光干涉技术、激光技术、空间 光学和真空技术的发展而进入了全面发展的阶段，相继提出了各种薄膜光学 理论和膜系计算方法。1 9 5 6 年，瓦施切克( v a s i c e k ) 发表了第一本薄膜光学 专著薄膜光学( o p t i c so ft h i nf i l m s ) 1 4 】，第一次系统地论述了薄膜光学 理论和设计思想。1 9 6 9 年麦克劳德( m a c l e o d ) 出版了薄膜光学滤波器 ( t h i n f i l mo p t i c a lf i l t e r s ) 【5 l ，书中采用特征矩阵法解释和计算光学薄膜。 之后，1 9 7 6 年尼特尔( k n i t t i ) 发表了他的专著薄膜光学( o p t i c so ft h i n f i l m s ) 6 1 。1 9 8 6 年，麦克劳德再版了他的专著，提出了用导纳图( a d m i t t a n c e d i a g r a m ) 的方法来分析膜系的特性，并且用它来解释膜系监控的一系列问题 【7 1 。2 0 0 6 年1 1 月，浙江大学唐晋法教授等出版了现代光学薄膜技术。这 些专著的发表，逐步完善了薄膜光学理论，促进了光学薄膜技术的发展。 上个世纪末期，计算机技术的蓬勃发展，为膜系的自动设计技术和膜厚 自动监控技术带来了无限的发展空间2 1 。薄膜科学与技术越来越受到重视， 薄膜科学研究的深度和广度势必将不断发展。它的研究与开发为微电子学、 光电子学、磁电子学等新兴交叉学科的发展提供材料基础。激光技术和光通 信技术前所未有的突破及新材料和新兴学科的不断出现，给光学薄膜提供了 更多的发展方向，同时也对光学薄膜的质量提出了更高的要求，诸多问题等 待薄膜工作者来解决。薄膜制备技术的内容随着光学薄膜应用的不断开拓而 越来越广泛，目前主要的沉积技术主要包括电阻加热蒸发、电子束加热蒸发、 离子辅助沉积、磁控溅射、离子束溅射、离子铡b j 。 2 第1 苹绪论 科学技术以及新兴学科的发展正在改变传统光学薄膜的面貌，传统光学 薄膜是以光的干涉为基础，并以此柬设计和制各增透膜、高反膜、滤光膜、 分光膜、偏振膜及消偏振膜光学薄膜覆盖的光谱范围电从可见光区扩展到 远红外和x 射线区。光学薄膜的制备技术也由传统的真空蒸发发展到现在的 物理、化学方法镀膜如激光沉积技术、离子束沉积技术等。高性能的电子 枪、离子辅助镀膜、低压反应离子镀膜、高精度的监控技术、自动化的镀膜 过程等一系列的进展，使得蒸发技术达到了极高的水平，制备出了d w d m 、 g f f 滤光片等高性能的薄膜元器件，令人叹为观止。主要集中体现以_ f 二方 面： ”。”? 图1 1 光学镀膜机及产品 f i g11o p t i c a lt h i n f i l md e p o s i t i o nm a c h i n ea n di t sp r o d u c t s 1 以减反射膜、干涉滤波片等为代表的光学薄膜的研究丌发与应用。这 种薄膜在学术上有重要意义，而且具有十分广泛的实用性，对此研究人员寄 予了很高的期望。 2 光学薄膜在集成电路等电子工业的应用。随着电路的微型化，薄膜实 际的体积接近于零这一特点就显得更加重要。当今在i c 、i s i 的电路中，想 找到设有薄膜的部分可以| 兑是越来越困难了。 3 光学薄膜对材料科学的贡献。薄膜制各法本身属于非平衡过程，和普 通材料的热平衡合成制各法相比，所得材料的非平衡特征非常明显。虽然这 种非平衡过程有缺点，但也可以制取普通相图中不存在的物质。在热平衡状 蠹 |ji 霭甜j_j划溯誓囡 堕i ! 鎏型盔堂堕堂垡迨塞 态下，必须要求高温才能生成的物质，利用这种方法能比较容易形成，这是 很突出的优点。采用这种方法已制取了若干种新材料，j 下实现着丌发新物质 的梦想。 光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l ，p c ) 的出现【4 】【1 5 1 为传统的光学薄膜领域带来了 新的活力。它是一种介质材料呈周期性分布，变化周期是光波长数量级的特 殊光学材料。光子晶体最重要的特点是存在光子频率禁带，类似于半导体中 的电子禁带，频率落在带隙中的电磁波在光子晶体中是禁止传播的。 图1 2 一维光子晶体的结构 f i g 1 2s t r u c t u r eo fo n e d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a l 由于麻省理工学院j o h nd 、yf i n k 等人在1 9 9 8 年的工作，一维光子晶 体的研究才得到重视，其最具影响的成果就是在全角度反射镜的基础上设计 出万能波导( o i l 血g u i d e ) 【幡2 。光子晶体全反射镜的另一个实际应用是在微波 天线方面，利用光子晶体反射镜做成天线的基片，处在光子晶体全角度反射 带的微波波段将不会被基底吸收，这就实现了无损耗全反射，把能量全部发 射到空中。浙江大学的研究人员较早地研究了全角度反射镜【2 2 。2 4 1 。 一维光子晶体是由不同材料构成的一维周期性结构，这一点与传统的光 学薄膜中的高反膜极为相似，但它们是两个完全不同的概念。光子晶体的概 念来源于固体物理中的周期结构思想以及电动力学中的电磁场理论，而传统 的光学膜系主要来源于在干涉光学基础上发展起来的薄膜光学，多层膜体系 大都在2 4 的基础上发展起来，而一维光子晶体从光子能带结构的角度出发， 在结构上没有2 4 之说，只要存在周期性结构即可，由于基本出发点不同， 4 第1 章绪论 导致在设计思想上的不同。对于特殊要求的多层膜系一般都是通过摸索性的 计算和积累的经验来设计，没有固定的形式。而从光子晶体概念出发，可以 从理论上指出禁带出现的位置和禁带宽度。在此基础上，通过掺杂可以控制 能带的位置、宽度以及禁带中掺杂模式的形成。因此利用光子晶体的概念可 以从全面的角度和理论的高度来设计出具有良好光学特性的多层膜系，具有 周期结构的光学膜系仅仅是一维光子晶体的一个特例。按照目前的加工技术， 一维光子晶体是仅有的可以做到可见光量级的周期结构，其良好的可行性预 示了这种新型材料广阔的应用前景。 1 2 本课题研究背景 薄膜光学最终形成于二十世纪六十年代，当时薄膜工作者主要集中于光 的振幅特性研究，如研制高反膜、增透膜等。随着激光光学和偏振光学的发 展，人们开始试图用光学薄膜来实现对光束偏振特性的控制【2 5 捌】。直到现在。 光学薄膜领域的偏振研究j 直都十分活跃。薄膜光学所有的光学特性都是基 于薄膜内光束的干涉作用。光学薄膜由于涉及到比较多的膜层，干涉效应比 较复杂，正是因为这一点光学薄膜才能实现各种光学特性。光学薄膜的理论 本质可以概括为：应用电磁波的宏观麦克斯韦理论研究光在通过膜系时，膜 系对光的反射、透射、吸收等作用以及对相位特性、偏振效应等的影响，主 要特点是研究光在分层介质中的传播规律。 当光线倾斜入射到光学薄膜时，电场和磁场在每一个界面上的切向分量 均连续，使得薄膜对p 分量和s 分量表现出不同的有效折射率，膜系显示出 很强的偏振效应。人们利用这种性质可以制成偏振分柬器等光学偏振器件 3 2 - 3 8 】。但是在诸多的情况下【3 9 4 3 1 ，需要用到消偏振效应平板分光镜、消偏振 效应分光棱镜等消偏振效应的器件。这时，由器件自身引入的这种偏振效应 必须予以消除或尽可能减小。 哈尔滨犁人学博十学位论文 从上个世纪六十年代起，国外的学者就丌始致力于这方面的研究【4 4 石。 1 9 7 0 年，c o s t i c h 运用等效折射率的概念设计了消偏振膜系，提出了一种适 用于有空气界面的金属介质膜的，减少多层膜偏振效应的方法【4 5 1 。此方法因 为反射率很低且不可调节而实用价值不大。1 9 7 4 年，m a h l e i n 提出用两层膜 组成基本周期膜系来设计消偏振膜系的方法。这种设计要求膜层材料的折射 率远远超出实际使用材料的折射率，因此很难在实际工作中采用【4 6 】。1 9 7 6 年， t h e l e n 发展了“仅用力4 波堆”在玻璃基底上获得消偏振薄膜的方法【4 7 1 。用 该法制备的膜系的消偏振性能对膜层折射率变化十分敏感，加之膜系层数较 多，所以因膜系制备困难而很少被采用。1 9 8 3 年，s t e r k e 等在t h e l e n 研究的 基础上，依据2 4 膜厚采用三种材料来实现无偏振分光片【5 。1 9 9 2 年，g i l o 提出应用布儒斯特条件采用三种不同折射率的材料来实现消偏振膜系的设计 k 4 1 。1 9 9 4 年，t i k h o n r a v o v 等采用优化的方法利用3 种材料设计的4 5 。入射 条件下宽带消偏振分束镜包含了4 7 层薄膜，层数较多【5 5 1 ，因此难于实现。 1 9 9 9 年，j c i o s e k 等设计了由s i 0 2 和t a 2 0 5 两种材料构成的4 5 0 入射条件下 带宽2 5 n m 的平板消偏振分光镜，但是层数较多且膜厚为非规整厚度，此外 文章中详细地研究了离子辅助式电子枪沉积技术和磁控溅射技术对成膜性能 的影响，并用磁控溅射技术取得了实验的成功p 丌。2 0 0 6 年，r m a a z z a m 巧妙地利用棱镜几何结构的特点在未镀膜的情况下实现了s 分量的5 0 - 5 0 的分光功剧6 1 1 。在此期间国外的学者也申请了多项专利【6 2 6 5 1 。 在国内，1 9 7 8 年唐晋发教授利用最优化数值方法，求解p 分量和s 分 量在中心波长处的导纳分离方程和透射率方程，来获得实现3 , 4 膜系的消偏 振条件，回避了大量的矩阵运算，并在可见波段取得了很好的结果【硎。1 9 8 8 年林永昌也进行了消偏振分光棱镜的研究【6 7 】，并于1 9 9 1 年应用受抑全反射 原理提出了一种全介质宽波段消偏振分光镜的设计方案，推导了获得消偏振 的条件和获取各种分光比消偏振分光镜的设计1 6 引。1 9 9 2 年，杨卫萍进行了 h e - n e 激光消偏振分光膜的研究，论文中无详细说明1 6 9 j 。1 9 9 7 年，孙伟民、 6 第l 蕈绪论 王政平等报告了单层介质膜相移器件的理论研究与设计方法，并且讨论了入 射角等因素对单层介质膜的相位特性的影响1 7 0 1 。2 0 0 2 年，李明字，顾培夫提 出了宽波长宽角度消偏振分光镜的设计方案【7 l 】，2 0 0 3 年又提出了一种低吸收 的近紫外区宽角度消偏振平板分光镜的设计【7 2 】。2 0 0 5 年，顾培夫教授等采用 宽带法布旱珀罗薄膜干涉滤光片中心波长两侧的干涉带作为长波通或短波通 截止滤光片的初始膜系，然后经过适当的优化以提高透射带的透射率，并提出 了展宽截止区和透射带的方法【7 3 1 。2 0 0 5 年。陈卫斌等提出了基于法布罩珀 罗( f p ) 干涉滤光片来构建消偏振的长波通或短波通截止滤光片，用于投影 显示的分色与合色【7 4 1 。2 0 0 5 年，齐红基等利用双折射薄膜实现了消偏振滤波 器的设计，主要是对j 分量和p 分量的特性可以进行独立分析1 7 5 - 7 7 。2 0 0 6 年， 徐学科等利用受抑全内反射实现了消偏振分光器【7 s l 。2 0 0 7 年，王文梁等利用 n e e d l e 法与c o n j u g a t eg r a d u a t e 精炼法设计了2 0 0 n m 带宽中心波长位于5 5 0 n m 的平板消偏振分光镜，但层数多达9 0 层【7 9 】：基于c o s t i c h 的理论选择初始膜 系的材料和结构，设计并分析了5 3 2 n m 、6 3 3 n m 和1 31 5 n m 三波长消偏振平板 型分光膜【8 0 l 。2 0 0 7 年，马小凤等针对不同偏振态的等效导纳与等效相位进行 了分析，并计算了对称膜层在4 5 0 入射条件下不同偏振态的等效折射率与等效 相位厚度，采用等效层方法设计了光学性能良好的6 0 0 9 0 0n m 波段消偏振宽 带减反膜，最后利用电子束蒸发技术制备了薄膜样品，样品的光谱性能完全能 够满足使用要求【引j 。 1 3 本课题的选题意义和研究内容 迄今为止，能够在振幅和相位两个参量都达到消偏振效果的消偏振分光 棱镜( n o n p o l a r i z i n gb e a ms p l i t t e r s ：n p b s s ) 尚未见报道，消偏振分光镜反射 相移的问题一直被忽视。但在许多实际应用中，必须消除这种偏振分离和反 射相移，达到消偏振的效果( 保持偏振态不变) 。在反射表面镀膜是解决反射 相移问题的可能方法之一f 8 2 1 。例如，对于法拉第旋转镜式的光学电流互感器， 7 堕! ! 星! ；堡厶堂堕堂笪迨塞 消偏振效应分光棱镜可以说是一个至关重要的光学器件，需要保持光束在离 开传感头时的偏振态与进入传感头时的偏振态一致。此外，目前见于报道的 相关研究多集中于可见光波段，但随着现代光学技术的发展，对于红外波段 的n p b s s 的工程需求同益增长。目前的研究状态显然不能满足工程实际的需 求。第三，目前已见报道的n p b s s 的光谱带宽最多到2 0 0 n m ，也远不能满足 某些工程需求。论文针对上述三个问题丌展了研究与探索，因此论文的选题 具有一定的理论意义和重要的实际应用价值。 本论文的主要研究内容： ( 1 ) 首先从麦克斯韦方程组出发，介绍光学薄膜研究的基础理论，以特 征矩阵为工具来分析光学薄膜的特性。介绍光学薄膜优化设计原理，研究各 种优化方法，重点研究n e e d l e 法在光学薄膜设计中的应用。 ( 2 ) 研究多种消偏振理论，给出各种情况的消偏振薄膜光学特性的计算 机仿真，分析消偏振理论的各自特点。 ( 3 ) 详细研究g i l o 的设计思想，即把布儒斯特条件应用于消偏振分光 棱镜设计的理念，完成对理论背景、设计步骤以及设计实例的分析，并且考 察了各种设计情况的反射相移。 ( 4 ) 所见的报道大多是针对可见波段的，对于红外波段消偏振膜系的设 计尚罕见报道。以g i l o 的工作为基础，设计新型的可见消偏振膜系，并将消 偏振膜系的工作波段外推至红外波段，提供多种新的消偏振效应膜系设计方 案，所设计的消偏振分光膜系的主要技术参数为：消偏振分光膜系的s 分量 和p 分量的反射率都为5 0 ( 即分光比为5 0 ：5 0 ) ，反射率偏差小于5 ，反 射相移均小于5 。具体方案为：设计以重火石z f 7 玻璃为基底材料的可见 光波段的消偏振分光膜系，并且分别以重火石z f 7 玻璃、k 9 玻璃为基底材 料设计红外波长的消偏振分光膜系，将t h e l e n 的设计方案拓展到红外波段， 同样要求满足上面的设计要求。，此外基于受抑全反射原理设计了红外消偏振 膜。 r 第l 章绪论 图1 3 消偏振分光棱镜的示意图 f i g 。1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fn p b s ( 5 ) 研究非对称结构的消偏振分光棱镜，设计多种新的消偏振分光棱镜， 并用光学薄膜优化方法对其性能进行优化。 ( 6 ) 研究受抑全反射的相位特性，提出了基于受抑全反射的消偏振条件 新的分析方法，研究新的宽波段消偏振分光棱镜。 ( 7 ) 研究全新的金属一介质膜消偏振分光棱镜，重点研究和研制1 3 1 0 n m 波长处的消偏振分光棱镜，要求在振幅和相位2 个方面满足消偏振的要求。 这些研究对消偏振光学器件设计提供理论依据和指导，同时为要求保持 偏振态的光学系统( 例如：法拉第旋转镜式光学电流互感器、d v d v c d 等) 的发展提供可靠的保证。 9 哈尔滨t ：程人学博十学位论文 第2 章薄膜光学的理论基础及优化方法 2 1薄膜光学引言 薄膜光学起源于十九世纪，1 8 7 3 年麦克斯韦创立的电磁理论奠定了研究 薄膜光学所有问题的理论基础。薄膜光学本身的发展主要是解决光学薄膜的 理论与计算问题，是研究光在分层介质中反射、折射传播规律的一f - b 4 学。 本章主要介绍薄膜光学的基本理论、分析方法及光学薄膜优化设计原理等。 2 2 麦克斯韦方程组 为了更好地了解薄膜光学，研究设计过程中所涉及的光的偏振状态和相 位变化现象，首先介绍麦克斯韦方程组。对于各向同性介质，麦克斯韦方程 组为【8 3 】： v d = p v 啦一詈( 2 - 1 )所【r 2 。) v h = j + j d v b = 0 式中：e 一一电场强度矢量 日一磁场强度矢量 d 一一电位移矢量 b 一一磁感应强度矢量 ，一一电流密度矢量_ ，一一电狮l 管曼大亘 护詈一位移电流矢量 p 一一电荷密度。 联系电磁场基本矢量间关系的物质方程为： 1 0 第2 章薄膜光学的理论基础及优化方法 d = 啦 b = u l l j = o e 2 3 光学导纳 不导电的均匀介质中电磁波方程可表示为： 俨e 寺警一，l ， ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) v 2 h ：了1 譬 ( 2 - 4 ) d 。西2 、_ 一般情况下，电磁波在真空中的速度c 与介质中的速度u 之比称为介质 的折射率，l 。在光频率下，一般光学材料的，值通常与1 相差很小，由此我 们得到结果： 玎= 石c = 瓜厄 可见，介质折射率由介质介电常数已决定。 在介质中，令( 2 3 ) 式的解为： ：瓦e r e ( 1 - c ，- 。) 将( 2 6 ) 代入( 2 3 ) 得到； 1 1 ：掣一f 坐 了2 掣叫言 d 是没有量纲的参数，令d = n = q 州鼍h 由上式可以看出n 是个复数。令 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 哈尔滨j ：程人学博十学位论文 n ：三：刀一i k ( 2 9 ) u 式中：捍一介质的折射率 n 一一介质的光学导纳 进而可得出【8 4 】： n ( k e ) = 日( 2 - 1 0 ) 电场e 与磁场日相互垂直，且都与波的传播方向贸垂直，并符合右手法 则，这进一步说明说明电磁波是横波。由( 2 1 0 )