CN102749670A - 一种宽带棱镜多层膜偏振分束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽带棱镜多层膜偏振分束器，包括第一棱镜、第二棱镜和偏振分束多层膜。入射光由第一棱镜的第一面垂直入射后，经第一棱镜的第二面透射进入偏振分束多层膜，由偏振分束多层膜分成透射的p-偏振光和反射的s-偏振光，p-偏振光依次经由第二棱镜的第一面、第二棱镜的第二面透射后出射，s-偏振光依次经由第一棱镜的第二面、第一棱镜的第三面透射后出射，且由第二棱镜的第二面出射的光与由第一棱镜的第三面出射的光垂直；第一棱镜的第一面与第一棱镜的第二面的夹角为52o，第一棱镜的第二面与第一棱镜的第三面的夹角为65.6o～77o，第一棱镜和第二棱镜的折射率1.85～1.516。本发明偏振分束器不仅制造简单，且具有很宽的偏振带宽和优良的偏振消光比。

Description

一种宽带棱镜多层膜偏振分束器

技术领域

本发明涉及一种宽带棱镜多层膜偏振分束器,属于光学领域，主要应用于诸如LCoS头盔、液晶投影机和偏振仪等之类的各种光学、光电和激光仪器。

背景技术

在各种光学、光电和激光仪器中，棱镜多层膜偏振分束器得到了极其广泛的应用，例如,在LCoS头盔和液晶投影机中，由于液晶的电光效应是建筑在对偏振光的调制作用上的，所以入射到液晶调制器件上的光线必须是高偏振度的偏振光。

所谓棱镜多层膜偏振分束器，就是镀在两个棱镜之间的偏振多层膜分束器，它能使p-偏振光全部透射，s-偏振光全部反射，从而实现对自然光的偏振分束。这与双折射晶体偏振分束器的工作原理是完全不同的。

棱镜多层膜偏振分束器是按照MacNeille方法设计的，这种方法的技术关键在于：高、低两种折射率的薄膜材料折射率n_H、n_L和棱镜的折射率n_S构成的所有界面都必须满足布儒斯特角条件：

其中θ_S为入射光在偏振分束多层膜上的入射角。按此条件可见，n_H、n_L、n_S和θ_S是互相制约的。

现有技术的棱镜多层膜偏振分束器为了采用性能最优良、价格最便宜的K₉玻璃制作棱镜,其折射率n_S=1.516;而且为把光路设计成反射的s-偏振光与透射的p-偏振光互相垂直，两个棱镜都采用等腰直角三角棱镜,这样入射光在偏振分束多层膜上的入射角θ_S=45°。上述这两个条件一旦限定，高、低折射率的两种薄膜材料的折射率n_H、n_L就没有什么选择余地了，MgF₂是一种优良的低折射率薄膜材料，其折射率n_L=1.38,为满足布儒斯特角条件,高折射率材料只能选MgO,其折射率n_H=1.69。虽然MgO薄膜材料有强的吸湿性，但从满足布儒斯特角条件考虑，它仍被视为K₉玻璃棱镜多层膜偏振分束器的最佳高折射率薄膜材料。此外，这种偏振分束器由于偏振分束多层膜高、低折射率薄膜材料的折射率之差较小，因此不仅需要的偏振膜层数多、工艺复杂，更为甚者，偏振分束器的偏振带很窄，大约只有100nm，因而限制了其应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽带棱镜多层膜偏振分束器。

本发明的构思是：棱镜多层膜偏振分束器都是按照MacNeille方法设计的，这种方法的设计原理是偏振分束多层膜的所有界面都必须满足布儒斯特角条件，此时光在偏振分束多层膜中的传播行为是：p-偏振光在每个界面上全部透射，s-偏振光在每个界面上部分反射。为使s-偏振光也能全部反射，一个方法是增加多层膜的层数，也即增加界面的数目。但若高、低两种折射率薄膜的折射率之差较小，则增加多层膜层数虽可增加s-偏振光的反射，但却增加不了偏振带的宽度。另一个方法是增加高、低折射率两种薄膜材料的折射率之差，这种方法不仅可用较少的膜层数获得很高的s-偏振光反射，而且可使偏振带宽度大大展宽。

为此，本发明试图增加高、低折射率两种薄膜材料的折射率之差。分析目前可供选用的薄膜材料，仍然选择MgF₂作为低折射率的薄膜材料，而高折射率材料选用折射率为2.36的TiO₂薄膜，此时为满足布儒斯特角条件，入射光在偏振分束多层膜上的入射角应θ_S=52°。为达到θ_S=52°，必须对棱镜进行重新设计，由此，将第一棱镜的第一面与第一棱镜的第二面的夹角设计为52°，将第一棱镜的第二面与第一棱镜的第三面的夹角随第一棱镜和第二棱镜的选用的材料的折射率从1.85到1.516的变化设计为65.6°～77°。从而，自然光由偏振分束多层膜分成透射的p-偏振光和反射的s-偏振光后，反射的s-偏振光与透射的p-偏振光互相垂直。这种棱镜多层膜偏振分束器所需的膜层数可望大大减少,而且偏振分束器的偏振带宽和偏振消光比得到显著改善。

为制造和装调方便起见，则可将现有技术的偏振分束器的两个等腰直角三角棱镜中的第一个等腰直角三角棱镜设计为梯形棱镜，而把第二个等腰直角三角棱镜设计为直角棱镜；梯形棱镜的第一面与梯形棱镜的第二面的夹角为52°，梯形棱镜的第二面与梯形棱镜的第三面的夹角随选用棱镜玻璃的折射率从1.85变化到1.516时为65.6°～77°。若要仍然满足现有技术的偏振分束器的两个基本特点：一是采用性能最优良、价格最便宜的K₉玻璃棱镜，二是反射的s-偏振光与透射的p-偏振光互相垂直，则直角棱镜第一面与直角棱镜的第二面夹角亦为52°，直角棱镜的另一个锐角为38°。

为实现本发明的目的，本发明所采取的具体技术方案是：宽带棱镜多层膜偏振分束器包括第一棱镜、第二棱镜和偏振分束多层膜，其中偏振分束多层膜镀在第一棱镜的第二面和第二棱镜的第一面之间，并且分别与第一棱镜的第二面和第二棱镜的第一面紧密接触；入射光垂直入射到第一棱镜的第一面后，经第一棱镜的第二面透射后进入偏振分束多层膜，偏振分束多层膜将入射的自然光分成透射的p-偏振光和反射的s-偏振光，其中，透射的p-偏振光依次经由第二棱镜的第一面、第二棱镜的第二面而出射，反射的s-偏振光依次经由第一棱镜的第二面、第一棱镜的第三面而出射,且p-偏振出射光和s-偏振出射光互相垂直；第一棱镜的第一面与第一棱镜的第二面的夹角为52°，第一棱镜的第二面与第一棱镜的第三面的夹角为65.6°～77°，对应于第一棱镜和第二棱镜的折射率1.85～1.516。

进一步地，本发明所述的第一棱镜和第二棱镜的材料常选用折射率为1.516的K₉玻璃,此时第一棱镜的第二面与第一棱镜的第三面的夹角为77°。

进一步地，本发明所述偏振分束多层膜包括偏振膜，所述偏振膜由TiO₂膜和MgF₂膜交替的奇数层膜组成，且偏振膜两侧的膜层均是TiO₂。

进一步地，本发明所述偏振分束多层膜还包括SiO₂过渡薄膜，偏振膜两侧的TiO₂膜层上分别镀有一层所述SiO₂过渡薄膜，SiO₂过渡薄膜的折射率同时与TiO₂膜、第一棱镜和第二棱镜的折射率相匹配。

进一步地，本发明所述的第一棱镜为梯形棱镜，其中，第一棱镜的第一面为梯形棱镜的第一腰所在的工作面，第一棱镜的第二面为梯形棱镜的底边所在的工作面，第一棱镜的第三面为梯形棱镜的第二腰所在的工作面。

进一步地，本发明所述的第二棱镜为直角三角棱镜，其中，第二棱镜的第一面为直角三角棱镜的斜边所在的工作面，第二棱镜的第二面为直角三角棱镜的一个直角边所在的工作面。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：现有技术的棱镜多层膜偏振分束器由于两个K₉玻璃棱镜都采用等腰直角三角棱镜,入射光在偏振分束多层膜上的入射角为45°。为满足布儒斯特角条件，选用MgO/MgF₂作为高、低折射率薄膜材料,遗憾的是，MgO薄膜材料具有强的吸湿性，使偏振分束器的使用寿命受到限制；其次，由于偏振分束多层膜高、低折射率薄膜材料的折射率之差较小，因此偏振分束多层膜的层数多、工艺复杂；更有甚者，偏振分束器的偏振带只有100nm左右。而本发明的棱镜多层膜偏振分束器由于采用高硬度、高稳定性的TiO₂作为高折射率薄膜材料，因此大大延长了偏振分束器的使用寿命；同时由于TiO₂薄膜的折射率高，与现有技术的偏振分束多层膜相比，在相同的s-偏振光反射率的情况下，本发明的偏振分束多层膜的高、低折射率薄膜材料的折射率之差可显著增大，偏振分束多层膜的层数大大减少，因而制造成本大大降低；更重要的是，本发明的偏振分束器不仅偏振消光比显著提高，而且偏振带宽从现有技术的大约100nm增加到本发明的300nm以上。偏振带宽从100nm增加到300nm的意义在于：现有技术的偏振分束多层膜要复盖整个可见光区400~700nm，至少需要三个不同波长的偏振分束多层膜串接起来才能实现，但是由于三个串接的多层膜会互相干涉，因此会影响偏振特性；而本发明只需一个偏振分束多层膜就能复盖整个可见光区，不仅简单，而且性能更加稳定可靠，以便应用于诸如LCoS头盔、液晶投影机和偏振仪等之类的各种光学、光电和激光仪器。

附图说明

图1是现有技术的棱镜多层膜偏振分束器的工作原理图；

图2是现有技术的棱镜多层膜偏振分束器的偏振特性曲线；

图3是本发明的棱镜多层膜偏振分束器的工作原理图；

图4是本发明的棱镜多层膜偏振分束器的结构示意图；

图5是本发明的K₉玻璃棱镜多层膜偏振分束器的偏振特性曲线；

图6是图5所示的偏振特性曲线所对应的K₉玻璃棱镜多层膜偏振分束器经厚度优化后的偏振特性曲线；

图7是本发明的SF₅₇玻璃棱镜多层膜偏振分束器的偏振特性曲线。

具体实施方式

图1是现有技术的棱镜多层膜偏振分束器的工作原理图。它由两个K₉玻璃的等腰直角三角棱镜1、2和镀在它们之间的偏振分束多层膜3组成。等腰直角三角棱镜1、2的两个内角均设计为45°，因而入射光4在偏振分束多层膜3上的入射角θ_S=45°，为光路配置方便，透射的p-偏振光5和反射的s-偏振光6设计成互相垂直。为满足布儒斯特角条件,当低折射率薄膜优先采用折射率n_L=1.38的MgF₂后，高折射率薄膜就只能选MgO,其折射率n_H=1.69。这种现有技术的偏振分束器有三个明显的缺点：1).MgO薄膜有强的吸湿性，因而器件使用寿命较短；2).为使s-偏振光有足够高的反射率，偏振分束多层膜的层数很多，工艺复杂；3).偏振分束器的偏振带宽大约只有100nm，如图2所示。图2是现有技术的棱镜多层膜偏振分束器的偏振特性曲线，计算得到在400-500nm波长范围内，33层的MgO/MgF₂偏振分束多层膜3达到的p-偏振光平均透射率为99.76%,s-偏振光的平均反射率为99.94%。

图3是本发明的棱镜多层膜偏振分束器的工作原理图。入射光13由第一棱镜的第一面垂直入射后，经第一棱镜的第二面透射而进入偏振分束多层膜9，并由偏振分束多层膜9分成透射的p-偏振光和反射的s-偏振光，其中，p-偏振光依次经由第二棱镜的第一面、第二棱镜的第二面透射后而出射，s-偏振光依次经由第一棱镜的第二面、第一棱镜的第三面透射后而出射，且由第二棱镜的第二面出射的p-偏振光与由第一棱镜的第三面出射的s-偏振光互相垂直。与图1所示的棱镜多层膜偏振分束器相比，在同样采用K₉玻璃棱镜和保持透射的p-偏振光14与反射的s-偏振光15互相垂直的前提下，由于选择TiO₂/MgF₂作为偏振分束多层膜的高、低折射率材料，其中TiO₂膜的折射率n_H=2.36,MgF₂膜的折射率n_L=1.38，因此在满足布儒斯特角条件时，入射光13在偏振分束多层膜上的入射角θ_S=52°。为此把现有技术中的等腰直角三角棱镜1设计为梯形棱镜7（即本发明的第一棱镜）。虽然第一棱镜可以设计成任意形状，但为制造和装调方便，第一棱镜优选设计为梯形棱镜，第一棱镜的第一面为梯形棱镜7的第一腰所在的工作面，第一棱镜的第二面为梯形棱镜7的底边所在的工作面，第一棱镜的第三面为梯形棱镜的第二腰所在的工作面，这时棱镜角∠EDG=128°。同时把现有技术中的等腰直角三角棱镜2设计为直角三角棱镜8（即本发明的第二棱镜）。同样，第二棱镜也可以做成任意形状，但为制造和装调方便，第二棱镜优选设计为直角棱镜，第二棱镜的第一面为直角三角棱镜8的斜边所在的工作面，第二棱镜的第二面为直角三角棱镜8的一个直角边所在的工作面，这时棱镜角∠ACB=38°。为了满足入射光13在偏振分束多层膜上的入射角θs=52°，梯形棱镜7的第一面与第二面的夹角∠DGF设计为52°，它与直角三角棱镜8的棱镜角∠ACB=38°共同构成直角；同时为保持透射的p-偏振光14与反射的s-偏振光15互相垂直，梯形棱镜7的第二面与第三面的夹角∠EFG设计为65.6°～77°,对应于梯形棱镜7和直角三角棱镜8的折射率1.85～1.516。考虑到K₉玻璃性能优良、价格便宜，故偏振分束器的梯形棱镜7和直角三角棱镜8常选用折射率为1.516的K₉玻璃，此时梯形棱镜7的第二面与第三面的夹角∠EFG为77°。

图4所示是本发明的棱镜多层膜偏振分束器的结构示意图。如图4所示，镀在梯形棱镜7和直角三角棱镜8之间的偏振分束多层膜9是由高折射率的TiO₂膜10和低折射率的MgF₂膜11交替组成的奇数层偏振膜，且偏振膜两侧的膜层均是TiO₂。作为优选方案，偏振膜的两侧还可分别镀有一层SiO₂过渡薄膜12，SiO₂过渡薄膜的折射率要与偏振膜的高折射率TiO₂膜10、梯形棱镜7和直角三角棱镜8的折射率相匹配，以减少p-偏振光在TiO₂膜10与梯形棱镜7和直角三角棱镜8的交界面的残余反射；并且，通过膜厚调节来消除玻璃棱镜和TiO₂薄膜界面上的折射率的轻微失配。在图4所示的实施例中，棱镜偏振分束多层膜共有13层，包括偏振膜11层和过渡膜2层，膜层的光学厚度表示为设计参考波长的四分之一倍，而本实施例中的设计参考波长为745nm。本发明的这种偏振分束器可有效地克服现有技术偏振分束器的缺陷而具有以下优点：（1）偏振分束多层膜没有吸湿性；（2）偏振分束多层膜用较少的膜层数就可使s-偏振光获得足够高的反射率；（3）偏振带宽可达到300nm以上。

图5是本发明使用K₉玻璃棱镜制作的多层膜偏振分束器的偏振特性曲线。如图5所示，当偏振分束多层膜9为11层TiO₂/MgF₂交替偏振膜和2层SiO₂过渡膜时，计算得到在400-700nm波长范围内偏振分束多层膜的p-偏振光平均透射率为99.85%,s-偏振光的平均反射率为99.94%。显然，如果采用现有技术的棱镜多层膜偏振分束器，则如图2所示，需要三个33层的MgO/MgF₂偏振分束多层膜3串接起来才能复盖波长400-700nm的偏振带宽,总膜层数至少需要99层。

由图5可知，本发明的K₉玻璃棱镜多层膜偏振分束器的偏振特性实际上已非常优良，但若用商用薄膜设计程序TFCal稍作厚度优化，其偏振特性还可进一步优化。

图6是将K₉玻璃棱镜偏振分束多层膜经过简单厚度优化后的偏振特性曲线。如图6所示，在400-710nm波长范围内，偏振分束多层膜的p-偏振光平均透射率为99.93%，s-偏振光的平均反射率为99.98%。优化后的偏振分束多层膜的结构参数如表1所示，表1中的λ为设计参考波长，其值为745nm。

表1

续表1

多层膜偏振分束器的重要指标是透射消光比Tp/Ts和反射消光比Rs/Rp，消光比越大，分束器性能越好。对现有技术的棱镜多层膜偏振分束器而言,在400~500nm波长范围内，33层的MgO/MgF₂偏振分束多层膜达到的Tp=99.76%，Rs=99.94%，也即Ts=1－Rs=0.06%，Rp=1－Tp=0.24%，于是得到透射消光比1662:1和反射消光比416:1。而对本发明的K₉棱镜多层膜偏振分束器而言,在400~710nm波长范围内,13层偏振分束多层膜的Tp=99.94%，Rs=99.98%，也即Ts=1－Rs=0.02%，Rp=1－Tp=0.06%,，于是得到透射消光比4997:1和反射消光比1666:1。显然，与现有技术的棱镜多层膜偏振分束器相比，本发明的K₉棱镜多层膜偏振分束器不仅偏振带宽从100nm增加到310nm，而且消光比也显著提高；不仅如此，制造工艺因膜层数显著减少而变得更加简单、可靠，使用寿命也因膜层材料性能改善而得到大大延长。

对偏振分束器的消光比要求更高或偏振带宽要求更宽的使用场合，如在LCoS头盔和液晶投影机的应用中，图像对比度直接由消光比和偏振带宽所决定。这时K₉玻璃虽有性能稳定、价格便宜的优点，但有时设计人员还是乐于使用价格比K₉玻璃高出10倍以上的高折射率玻璃SF₅₇、SF₂等来制作棱镜多层膜偏振分束器，特别是SF₅₇玻璃的折射率可高达1.85，其物化性能也能接受。图7显示了本发明的SF₅₇玻璃棱镜多层膜偏振分束器的偏振特性。如图7所示，在400~750nm波长范围内，13层偏振分束多层膜的Tp=99.996%,Rs=99.994%，也即Ts=1－Rs=0.006%,Rp=1－Tp=0.004%，于是得到透射消光比16666:1和反射消光比24998:1。最终优化得到的偏振分束多层膜结构参数如表2所示。表2中的设计参考波长λ亦为745nm。

表2

续表2

由于梯形棱镜7和直角棱镜8的材料选为SF₅₇，其折射率为1.85，故梯形棱镜7的第二面与第三面的夹角为65.6°，这时反射的s-偏振光与透射的p-偏振光仍保持互相垂直。

Claims (6)

1.一种宽带棱镜多层膜偏振分束器，其特征在于：它包括第一棱镜、第二棱镜和偏振分束多层膜，偏振分束多层膜在第一棱镜的第二面和第二棱镜的第一面之间，并且偏振分束多层膜分别与第一棱镜的第二面、第二棱镜的第一面紧密接触；入射光由第一棱镜的第一面垂直入射后，经第一棱镜的第二面透射而进入偏振分束多层膜，并由偏振分束多层膜分成透射的p-偏振光和反射的s-偏振光，其中，p-偏振光依次经由第二棱镜的第一面、第二棱镜的第二面透射后而出射，s-偏振光依次经由第一棱镜的第二面、第一棱镜的第三面透射后而出射，且由第二棱镜的第二面出射的p-偏振光与由第一棱镜的第三面出射的s-偏振光互相垂直；第一棱镜的第一面与第一棱镜的第二面的夹角为52o，第一棱镜的第二面与第一棱镜的第三面的夹角为 65.6o～77o，第一棱镜和第二棱镜的折射率1.85～1.516。

2.根据权利要求1所述的宽带棱镜多层膜偏振分束器，其特征在于：所述第一棱镜和第二棱镜的折射率为1.516，第一棱镜的第二面与第一棱镜的第三面的夹角为 77o。

3.根据权利要求1或2所述的宽带棱镜多层膜偏振分束器，其特征在于：所述偏振分束多层膜包括偏振膜，所述偏振膜由TiO₂膜和MgF₂膜交替的奇数层膜组成，且偏振膜的两侧的膜层均是TiO₂。

4.根据权利要求3所述的宽带棱镜多层膜偏振分束器，其特征在于：所述偏振分束多层膜还包括SiO₂过渡薄膜，偏振膜两侧的TiO₂膜层上分别镀有一层所述SiO₂过渡薄膜，SiO₂过渡薄膜的折射率同时与TiO₂膜、第一棱镜和第二棱镜的折射率相匹配。

5.根据权利要求1或2所述的宽带棱镜多层膜偏振分束器，其特征在于：所述第一棱镜为梯形棱镜，其中，第一棱镜的第一面为梯形棱镜的第一腰所在的工作面，第一棱镜的第二面为梯形棱镜的底边所在的工作面，第一棱镜的第三面为梯形棱镜的第二腰所在的工作面。

6.根据权利要求1或2所述的宽带棱镜多层膜偏振分束器，其特征在于：所述第二棱镜为直角三角棱镜，其中，第二棱镜的第一面为直角三角棱镜的斜边所在的工作面，第二棱镜的第二面为直角三角棱镜的一个直角边所在的工作面。

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