CN102928907B - 双半波全介质f-p窄带偏振分离滤光片 - Google Patents

Abstract

一种双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片，其特点在于是在基底上由内至外的高反射膜、双轴各向异性间隔层、高反射膜、耦合层、高反射膜、各向异性间隔层和高反射膜构成，所述的高反射膜是由多层高折射率层和多层低折射率层周期性交替并与一层高折射率层叠加组成的，该高反射膜的外层均为高折射率层，所述的耦合层为低折射率层。本发明滤光片在光波正入射条件下TE和TM两种偏振态光波偏振分离，且两种偏振态光波均具有很高的峰值透过率和截止深度，其通带为边缘陡峭的矩形双峰形状，该滤光片的带宽、中心波长以及位相延迟可通过调节双轴各向异性间隔层的柱状角和入射光波的入射角度来实现，因而具有很高的设计灵活性。

Description

双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片

技术领域

本发明涉及滤光片，特别是一种用于正入射条件下的双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片。

背景技术

激光以其特有的单色性好、相干长度长、能量密度高、方向性好等优点，使其成为了自然科学中一颗璀璨的明珠。高功率激光在激光加工、光与物质相互作用等国民经济和前沿科学研究领域有着广泛的应用需求；在空间通信、激光雷达等国家战略需求方面更有着重大应用潜力。激光装置的发展离不开光学元器件，随着高功率激光系统的不断发展，对光学器件的带宽和阈值提出了更高要求。

在高功率激光系统中，全介质F-P窄带滤光片作为重要的光学元器件之一，其性能对整个高功率激光系统有着至关重要的影响，同时应具有优良的光谱性能和高的激光损伤阈值（LIDT），这对于提高激光系统的输出功率非常有利。然而，传统的全介质F-P窄带滤光片的设计与制备的研究基本上都是针对各向同性介质膜层，这样的滤光片在光波正入射时薄膜内TE波与TM波具有相同的等效导纳，因此，两种偏振态光波具有相同的透射和反射特性，即不会发生偏振分离。而在许多实际应用中又要求激光系统在正入射条件下将入射光束分成偏振模式相互垂直的两束线偏振光，如在激光损伤阈值指标评定时常采用某一特定偏振分量（s分量或p分量），所以发明一种正入射偏振分离的全介质多层膜F-P窄带滤光片具有强烈的应用需求。据我们所知，到目前为止还没有人针对用各向异性间隔层来设计全介质F-P窄带偏振分离滤光片。

发明内容

本发明的目的是提供一种双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片，该滤光片在光波正入射条件下TE和TM两种偏振态光波偏振分离，且两种偏振态光波均具有很高的峰值透过率和截止深度，其通带为边缘陡峭的矩形双峰形状，在两峰中间只有一个浅凹陷，透射能量的一半是在半宽度以内，该滤光片的带宽、中心波长以及位相延迟可以通过调节各向异性间隔层的柱状角和入射光波的入射角度来实现，因而具有很高的设计灵活性。

为了实现这一目的，本发明的技术解决方案如下：

一种双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片，其特点在于是在基底上由内至外的高反射膜、双轴各向异性间隔层、高反射膜、耦合层、高反射膜、各向异性间隔层和高反射膜构成，所述的高反射膜是由多层高折射率层和多层低折射率层周期性交替并与一层高折射率层叠加组成的，该高反射膜的外层均为高折射率层，所述的耦合层为低折射率层。

所述的高反射膜的高折射率层的材料为HfO₂，低折射率层的材料为SiO₂，每一膜层的光学厚度为四分之一参考波长λ。

所述的耦合层为低折射率层，光学厚度为四分之一参考波长λ。

所述的双轴各向异性间隔层的材料为Ta₂O₅，光学厚度为二分之一参考波长λ，双轴各向异性间隔层的结构参数设计方法请参见H.J.Qietal.,“OpticalpropertiesandmicrostructureofTa₂O₅biaxialfilm,”Appl.Opt.48,127-133(2009)。

本发明的技术效果：

经实验表明，本发明双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片，与传统的用各向同性膜层作为间隔层的全介质F-P窄带滤光片相比，本发明窄带滤光片在光波正入射条件下TE和TM两种偏振态光波偏振分离，且两种偏振态光波均具有很高的峰值透过率和截止深度，其通带为边缘陡峭的矩形双峰形状，在两峰中间只有一个浅凹陷，透射能量的一半是在半宽度以内，该滤光片的带宽、中心波长以及位相延迟可以通过调节各向异性间隔层的柱状角和入射光波的入射角度来实现，因而具有很高的设计灵活性。

附图说明

图1为本发明双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片的截面结构示意图。

图2为本发明双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片正入射时的透射率和位相延迟谱。设计膜系：Glass/(HL)⁵H2N(HL)⁵HL(HL)⁵H2N(HL)⁵H/Air

图3为不同柱状角下双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片正入射时的透射率和位相延迟谱。(a)β＝90°;(b)β＝45°;(c)β＝0°.

图4为不同柱状角对双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片中心波长的影响。

图5为光波不同入射角度下双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片的透射率和位相延迟谱。

图6为本发明双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片的带宽和中心波长的角谱。

图中：

1-高折射率膜层2-低折射率材料膜层3-双轴各向异性间隔层4-由高折射率材料1和低折射率材料2周期交替组成的高反膜5-耦合层θ_i-入射角度β-柱状角，即倾斜柱状结构与表面法线方向的夹角，即L_in-入射光波n₁、n₂、n₃-各向异性间隔层三个主轴折射率，轴1沿着倾斜柱子方向，轴2位于入射平面内，且与倾斜柱子方向垂直，轴3垂直于入射平面

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片的截面结构示意图。由图可见，本发明双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片，是在基底上由内至外的高反射膜4、双轴各向异性间隔层3、高反射膜4、耦合层5、高反射膜4、各向异性间隔层3和高反射膜4构成，所述的高反射膜4是由多层高折射率层1和多层低折射率层2周期性交替叠加和高折射率层组成的，该高反射膜4的外层均为高折射率层1，所述的耦合层5为低折射率层2。

所述的高反射膜4的高折射率层1的材料为HfO₂，低折射率层2的材料为SiO₂，每一膜层的光学厚度为四分之一参考波长λ。

所述的耦合层5为低折射率层2，所述的耦合层5的光学厚度为四分之一参考波长λ。

所述的双轴各向异性间隔层3的材料为Ta₂O₅，光学厚度为二分之一参考波长λ。

本发明的依据如下：

图1为本发明双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片的截面结构示意图。所述的各向异性间隔层3纳米尺度的微结构能够对入射光波产生明显的各向异性调制，出现类似于晶体中的双折射特性。当双折射薄膜的两个折射率主轴方向位于薄膜的入射面内时，即薄膜的主截面与主平面重合，入射光波在双折射薄膜内传输时，两种偏振态光波不发生耦合，在薄膜内部独立传输。入射的s分量光波，其传输行为与各向同性介质中寻常光波（o光）的传输相同，只由薄膜的主轴折射率n₃及薄膜厚度d决定，出射光波完全为s偏振态，即n_s＝n₃，其特征矩阵可以表示为 $\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\δ}}_s& \frac{i}{{\mathrm{\η}}_s}\sin {\mathrm{\δ}}_s\\ i{\mathrm{\η}}_s\sin {\mathrm{\δ}}_s& \cos {\mathrm{\δ}}_s\end{array}\right];$ 对于p偏振入射光波，在薄膜内部以异常光波（e光）传输，其电磁场传输过程受到主轴折射率n₁、n₂，薄膜厚度d及柱状角β的影响，正入射时折射率利用麦克斯韦方程界面连续的边界条件，其2×2特征矩阵可表示为 $\frac{1}{{\mathrm{\η}}_{+}+{\mathrm{\η}}_{-}}\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\η}}_{-}{e}^{i{\mathrm{\δ}}_{+}}+{\mathrm{\η}}_{+}{e}^{-i{\mathrm{\δ}}_{-}}& e^{i{\mathrm{\δ}}_{+}}-e^{-i{\mathrm{\δ}}_{-}}\\ {\mathrm{\η}}_{-}{\mathrm{\η}}_{+}(e^{i{\mathrm{\δ}}_{+}}-e^{-i{\mathrm{\δ}}_{-}})& {\mathrm{\η}}_{+}{e}^{i{\mathrm{\δ}}_{+}}+{\mathrm{\η}}_{-}{e}^{-i{\mathrm{\δ}}_{-}}\end{array}\right]$

其中 ${\mathrm{\η}}_{+}=\frac{n\left(\mathrm{\α}\right)1}{\cos {\mathrm{\θ}}_1},$ ${\mathrm{\η}}_{-}=\frac{n\left({\mathrm{\α}}_2\right)}{\cos {\mathrm{\θ}}_2},$ ${\mathrm{\δ}}_{+}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}n\left({\mathrm{\α}}_1\right)d\cos {\mathrm{\θ}}_1,$ ${\mathrm{\δ}}_{-}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}n\left({\mathrm{\α}}_2\right)d\cos {\mathrm{\θ}}_2$ 分别表示在薄膜内部正向和反向传播时光波的等效光学导纳和位相厚度。TE波和TM波在各向异性间隔层中不同的等效折射率使得入射光在传输过程中受到不同的调制，在正入射时发生偏振分离，并且s分量和p分量的折射率差Δn＝n_s-n_p越大，偏振分离越显著。

对于图1所示的多层薄膜，其组合特征矩阵M可表示为各个单层薄膜相应偏振态的特征矩阵按照一定次序连乘，即M＝M_nM_n-1…M₂M₁，其中，M₁为紧邻基底单层薄膜的特征矩阵，M₂…M_n依次为远离基底的单层薄膜特征矩阵。整个膜系的特征矩阵可以表示为 $\left[\begin{array}{c}B\\ C\end{array}\right]=M\·\left[\begin{array}{c}1\\ {\mathrm{\η}}_g\end{array}\right],$ 对于s偏振，η_g＝n_gcosθ_g；对于p偏振，η_g＝n_g/cosθ_g。利用上述矩阵关系及界面的反射及折射定律可以给出多层薄膜透射率T及透射位相延迟ξ的表达式：

$T=\frac{4{\mathrm{\η}}_0{\mathrm{\η}}_g}{({\mathrm{\η}}_{0}B+C){({\mathrm{\η}}_{0}B+C)}^{*}}$

$\mathrm{\ξ}=\arctan \left[\frac{-\mathrm{IM}({\mathrm{\η}}_{0}B+C)}{\mathrm{Re}({\mathrm{\η}}_{0}B+C)}\right]$

其中，Re表示取实部，Im表示取虚部，*表示取共轭。

此外，对于由高折射率材料H、低折射率材料L1/4膜堆结构组成的全介质F-P窄带滤光片(HL)^{^x}H2N(HL)^{^x}H，其带宽可表示为λ为中心参考波长，x为膜系中基本周期数目。x越大，反射膜(HL)^{^x}H的反射率越高，滤光片的带宽越窄。另外，随着光波入射角度的增加，对于TE波，η_L/η_H的比值减小，Δλ减小，带宽变窄；而对于TM波，η_L/η_H的比值增加，带宽变宽。

下面结合中心波长为632.8nm的双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片的具体实例来详细说明本发明的具体实施过程，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例：

本发明双半波全介质多层膜F-P窄带偏振分离滤光片具体实施例的介质膜系结构为：S(HL)⁵H2N(HL)⁵HC(HL)⁵H2N(HL)⁵HA。

其中：H和L分别为四分之一参考波长光学厚度的高折射率材料膜层和四分之一参考波长光学厚度的低折射率材料膜层，每个高反射膜4是由多层高折射率层1和多层低折射率层2周期性交替并和一个高折射率层叠加组成的，高反射膜中HL基本膜系重复5次，N为双轴各向异性间隔层，C为耦合层，S为K9基底，A为入射空气层。双轴各向异性间隔层的光学厚度为二分之一参考波长[各向异性间隔层的结构参数参见H.J.Qietal.,“OpticalpropertiesandmicrostructureofTa₂O₅biaxialfilm,”Appl.Opt.48,127-133(2009)]，所述的耦合层的光学厚度为四分之一参考波长，每层的材料和相应的折射率如下表：

对本实施例进行测量的结果如下：

光波正入射到双半波全介质多层膜F-P窄带偏振分离滤光片上。图2为本实施例双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片的透射率和位相延迟谱。图3和图4分别为不同柱状角对双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片透射率和位相延迟谱、中心波长的影响。图5为光波不同入射角度下双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片的透射率和位相延迟谱。图6为本实施例双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片带宽和中心波长的角谱。从这些图中可以看出，由于各向异性间隔层对入射光波的调制作用，在正入射时两种偏振态光波发生了明显的偏振分离，其在中心波长处具有很高的峰值透过率和截止深度，该滤光片的带宽、中心波长以及位相延迟可以通过调节各向异性间隔层的柱状角和入射光波的入射角度来实现，因而具有很高的设计灵活性。本发明中双轴各向异性间隔层的引入为正入射条件下双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片提供了新的设计方法。

综合以上的详细分析和实例论证，本发明提出的双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片设计方法是切实有效可行的，实例表明这种结构的滤光片在正入射条件下确实可以偏振分离，该方法优良的设计灵活性使得本发明提出的双半波全介质多层膜F-P窄带偏振分离滤光片具有重要的实用前景。

Claims (4)

1.一种双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片，其特征在于是在基底上由内至外的高反射膜(4)、双轴各向异性间隔层(3)、高反射膜(4)、耦合层(5)、高反射膜(4)、双轴各向异性间隔层(3)和高反射膜(4)构成，所述的高反射膜是由多层高折射率层(1)和多层低折射率层(2)周期性交替并与一层高折射率层(1)叠加组成的，该高反射膜(4)的外层均为高折射率层(1)，所述的耦合层(5)为低折射率层(2)。

2.如权利要求1所述的双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片，其特征在于所述的高反射膜(4)的高折射率层(1)的材料为HfO₂，低折射率层(2)的材料为SiO₂，每一膜层的光学厚度为四分之一参考波长λ。

3.如权利要求1所述的双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片，其特征在于所述的耦合层(5)为低折射率层(2)，所述的耦合层(5)的光学厚度为四分之一参考波长λ。

4.如权利要求1所述的双半波全介质F-P窄带偏振分离滤光片，其特征在于所述的双轴各向异性间隔层(3)的材料为Ta₂O₅，光学厚度为二分之一参考波长λ。