CN103984054B - 全介质f‑p窄带消偏振滤光片 - Google Patents

Abstract

一种全介质F‑P窄带消偏振滤光片，其特征在于是由透明基底、高反射膜、双轴各向异性间隔层和高反射膜一体构成，高反射膜的最外层为高折射率层。基本结构是：高反射膜︱各向异性间隔层︱高反射膜。本发明中双轴各向异性间隔层的引入为光波斜入射条件下全介质F‑P窄带消偏振滤光片提供了新的设计方法。

Description

全介质F-P窄带消偏振滤光片

技术领域

本发明涉及滤光片，特别是一种全介质F-P窄带滤光片，是一种用于斜入射条件下消偏振分离的全介质F-P窄带消偏振滤光片。

背景技术

在光学系统及光纤通讯中，消偏振光学元件具有极为广泛的应用。传统的消偏振器件是在玻璃或石英等基底表面利用物理沉积方法制备各向同性的介质薄膜来实现。但是，由于在光束倾斜入射条件下通过各向同性薄膜时两种偏振态极易分离，因此，即使借助于计算机优化方法，利用各向同性介质薄膜实现消偏振薄膜设计相当的困难。另外，利用各向同性介质材料设计的消偏振薄膜一般都包含大量的膜层，薄膜的制备也非常困难，如红外消偏振分光器件(CN 103713395A)，1540nm消偏振截止滤光片(CN 1632625 A)，400nm-600nm宽带消偏振截止滤光片(CN 1959447 A)。因此，如何制备消偏振光学元件是光学设计工作者比较关心的问题。为了解决上述问题，不得不使用受抑全反射及多片元件组合方式实现消偏振反射或截止滤光效果，如利用角锥表面金属介质膜层受抑全反射消偏振反射元件(ZL 92214420.6)，另外，发展了起偏反射镜及补偿反射镜的消偏振反射镜组(CN101334520 A)，组合多个金属平面反射镜的消偏振反射镜组(CN 101446688 A)，组合了多块带通滤光片和分光棱镜的消偏振分光镜(CN 102749720 A)。鉴于斜入射情况下各向同性材料本征存在偏振分离，实现消偏振的反射及截止滤光效果较为困难，更不用说消偏振的窄带通滤光片。

发明一种斜入射消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，而且提供一种新的全介质F-P窄带消偏振分离滤光片的设计方法也是很有必要的。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斜入射情况下全介质F-P窄带消偏振分离滤光片。

发明内容

本发明的目的是提供一种全介质F-P窄带消偏振滤光片设计方法，该滤光片在光波斜入射条件下s和p两种偏振态光波中心波长无明显偏振分离，且两种偏振态光波均具有很高的峰值透过率，在滤光片的截止区域，有较高截止深度。滤光片的截止深度、中心波长以可以独立调节。

为了实现这一目的，本发明的技术解决方案如下：

一种全介质F-P窄带消偏振滤光片，由透明基底、高反射膜、各向异性间隔层和高反射膜一体构成，所述的高反射膜的结构为(HL)^xH，其中H为高折射率层，L为低折射率膜层，x为高折射率层和低折射率膜层重复的次数，所述的高反射膜的最外层为高折射率层，每一膜层的光学厚度为四分之一使用波长λ，所述的各向异性间隔层的光学厚度为二分之一使用波长λ，各向异性间隔层的柱状角度β由下列联立公式求出：

2n_sd cosθ_s＝n(α₁)d cosθ₁+n(α₂)d cosθ₂ <1>

β＝π/2-φ <2>

其中,

d为各向异性间隔层的物理厚度，n₁、n₂、n₃为各向异性间隔层三个主轴折射率，θ_s为s分量光波在各向异性间隔层内部的折射角度，n_s＝n₃，φ为各向异性间隔层的柱状结构取向角，k_z+和k_z-为满足二元方程<3>的解；

k_x＝2πn₀sinθ₀/λ，A_o＝(n₁sinφ)²+(n₂cosφ)²，B₀＝k_xsin(2φ)(n₂ ²-n₁ ²)，C₀＝[(n₂sinφ)²+(n₁cosφ)²]k_x ²-n₂ ²n₁ ²，Δ＝B₀ ²-4A₀C₀，θ₀为光波入射角度，和

所述的高反射膜中高折射率层和低折射率膜层重复的次数x在2～20之间，x值越大，则截止深度越高。

所述的透明基底为玻璃。

本发明的依据如下：

图1为本发明设计的全介质F-P窄带消偏振滤光片的截面结构示意图。各向异性间隔层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。

利用麦克斯韦方程界面连续的边界条件，可以得到p偏振入射光波，在薄膜内部传播行为可以用2×2特征矩阵表示：

其中，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，其中，α₁和α₂对应着双折射间隔膜层内部p光的传播波矢和倾斜柱子方向的夹角，θ₁和θ₂为双折射间隔膜层内部折射角度及薄膜背表面反射角。

对于高反膜系的高低折射率薄膜厚度，可以依据下列计算获得，

其中，d_H和θ_H，d_L和θ_L分别表示各向同性反射薄膜内部高低折射率膜层的物理厚度及折射角度，θ₀表示光波入射角度。

对于各向异性间隔层，仅当其满足s分量光波的位相厚度与p偏振光波位相厚度相同，且均为四分之一使用波长λ时，才能实现使用波长λ处s分量光波的和p偏振光波同时高透射，在使用波长λ附近波段s分量光波的和p偏振光波的高截止，即

2n_sd cosθ_s＝n(α₁)d cosθ₁+n(α₂)d cosθ₂， (1)

其中d为各向异性间隔层的物理厚度，θ_s为s分量光波在各向异性间隔层内部的折射角度，n_s＝n₃。

各向异性间隔层的柱状结构取向角φ与各向异性间隔层柱状角β之间满足

β＝π/2-φ (2)

当柱状角β变化时，p偏振光波在薄膜内传播时的相关参数α₁和α₂，θ₁和θ₂均发生变化，且满足：

其中k_x＝2πn₀sinθ₀/λ，A_o＝(n₁sinφ)²+(n₂cosφ)²，B₀＝k_xsin(2φ)(n₂ ²-n₁ ²)，C₀＝[(n₂sinφ)²+(n₁cosφ)²]k_x ²-n₂ ²n₁ ²，Δ＝B₀ ²-4A₀C₀

利用上述方程，可以获得相关解k_z+和k_z-，进而求出：

和

结合公式(1)、(2)和(3)，求出柱状角β。

另外，滤光片的截止深度与高反射膜中高折射率层和低折射率膜层重复的次数x相关，X值越大，则截止深度越高，通常情况下，X在2～20之间。

本发明的技术效果：

本发明提出的一种新型全介质F-P窄带消偏振滤光片，得到了斜入射条件下全介质F-P窄带消偏振分离滤光片，实现了斜入射条件了两种偏振态光波中心波长无明显偏振分离，且两种偏振态光波均具有很高的峰值透过率，在滤光片的截止区域，有较高截止深度。获得传统的用各向同性膜层作为间隔层的不能获得的消偏振滤波效果。

附图说明

图1为本发明设计的全介质F-P窄带消偏振滤光片的截面结构示意图。

图2为实施实例1给出的基于各向异性Ta₂O₅膜层的45°入射1064nm全介质F-P窄带消偏振滤光片透射光谱。

图3为实施实例2给出的基于各向异性Ta₂O₅膜层的20°入射1064nm全介质F-P窄带消偏振滤光片透射光谱。

图4为实施实例3给出的基于各向异性Ta₂O₅膜层的30°入射1064nm全介质F-P窄带消偏振滤光片透射光谱。

图5为实施实例4给出的基于各向异性Ta₂O₅膜层的60°入射1064nm全介质F-P窄带消偏振滤光片透射光谱。

图6为实施实例6给出的基于各向异性TiO₂膜层的45°入射1064nm全介质F-P窄带消偏振滤光片透射光谱。

图中：

1-高反射中的高折射率材料膜层 2-高反射中的低折射率材料膜层 3-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θ₀-入射角度β-倾斜柱状结构与表面法线方向的夹角，即柱状角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

本发明提出的全介质F-P窄带消偏振滤光片的截面结构如图1所示，其特点是由由透明基底、高反射膜4、各向异性间隔层3和高反射膜4一体构成，，高反射膜的最外层为高折射率层。

下面结合中心波长为1064nm的全介质F-P窄带消偏振滤光片的设计实施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1：基于各向异性Ta₂O₅膜层的45°入射1064nm全介质F-P窄带消偏振滤光片

本发明全介质F-P窄带消偏振滤光片膜系结构为：S(HL)¹⁰H 2N(HL)¹⁰H。H和L分别为四分之一使用波长光学厚度的高折射率材料膜层和低折射率材料膜层，每个高反射膜中HL基本膜系重复10次，N为双轴各向异性Ta₂O₅间隔层，S为K9基底，A为入射空气层。各向异性间隔层的光学厚度为二分之一使用波长，每层的材料和相应的折射率如下表[各向异性间隔层的结构参数参见H.J.Qi etal.,“Optical properties and microstructure ofTa₂O₅biaxial film,”Appl.Opt.48,127-133(2009)]：

根据本发明设计依据，可以获得高低折射率膜层物理厚度d_H＝149.65nm，d_L＝208.25nm，各向异性间隔层物理厚度d＝325.67nm，其柱状角β＝53°。图2为本实施例的全介质F-P窄带消偏振滤光片的透射谱。

实施例2：基于各向异性Ta₂O₅膜层的20°入射1064nm全介质F-P窄带消偏振滤光片

膜系结构及相关参数同实例1，入射角度为20°，根据本发明设计依据，可以获得高低折射率膜层物理厚度d_H＝141.33nm，d_L＝187.41nm，各向异性间隔层物理厚度d＝304.55nm，其柱状角β＝49°。图3为本实例中的全介质F-P窄带消偏振滤光片的透射谱。

实施例3：基于各向异性Ta₂O₅膜层的30°入射1064nm全介质F-P窄带消偏振滤光片

膜系结构及相关参数同实施例1，入射角度为30°，根据本发明设计依据，可以获得高低折射率膜层物理厚度d_H＝144.06nm，d_L＝193.92nm，各向异性间隔层物理厚度d＝311.41nm，其柱状角β＝51°。图4为本实例中的全介质F-P窄带消偏振滤光片的透射谱。

实施例4：基于各向异性Ta₂O₅膜层的60°入射1064nm全介质F-P窄带消偏振滤光片

膜系结构及相关参数同实施例1，入射角度为60°，根据本发明设计依据，可以获得高低折射率膜层物理厚度d_H＝155.94nm，d_L＝226.30nm，各向异性间隔层物理厚度d＝342.10nm，其柱状角β＝55°。图5为本实例中的全介质F-P窄带消偏振滤光片的透射谱。

实施例5：基于各向异性TiO₂膜层，45°入射1064nm全介质F-P窄带消偏振滤光片

膜系结构及相关参数同实施例1，各向异性间隔层的参数为：n₁＝1.77，n₂＝1.72，n₃＝1.74。入射角度为45°，根据本发明设计依据，可以获得高低折射率膜层物理厚度d_H＝149.65nm，d_L＝208.25nm，各向异性间隔层物理厚度d＝334.62nm，其柱状角β＝39°。图6为本实施例中全介质F-P窄带消偏振滤光片的透射谱。

从上述实施例可以看出，由于各向异性间隔层对入射光波的调制作用，斜入射时位于使用波长λ处两种偏振态光波没有发生明显的偏振分离，其使用波长λ处具有很高的峰值透过率，在使用波长λ附近有很高的截止深度，且两种偏振态光波透射波长位置可以通过调节各向异性间隔层的柱状角度来实现，截止深度及使用波长可以通过改变反射薄膜内部高低折射率膜层重复次数及膜层厚度进行调整，因而具有很高的设计灵活性。本发明中各向异性间隔层的引入为斜入射条件下全介质F-P窄带消偏振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，本发明提出的全介质F-P窄带消偏振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斜入射条件下确实可以实现偏振分离的有效抑制，该方法优良的设计灵活性使得本发明提出的全介质F-P窄带消偏振滤光片具有重要的实用前景。

Claims (3)

1.一种全介质F-P窄带消偏振滤光片，其特征在于是由透明基底、高反射膜(4)、各向异性间隔层(3)和高反射膜(4)一体构成，所述的高反射膜(4)的结构为(HL)^xH，其中H为高折射率层(1)，L为低折射率膜层(2)，x为高折射率层(1)和低折射率膜层(2)重复的次数，所述的高反射膜(4)的最外层为高折射率层(1)，每一膜层的光学厚度为四分之一使用波长λ，所述的各向异性间隔层(3)的光学厚度为二分之一使用波长λ，各向异性间隔层的柱状角度β由下列联立公式求出：

2n_sd cos θ_s＝n(α₁)d cos θ₁+n(α₂)d cos θ₂ <1>

β＝π/2-φ <2>

$\begin{array}{c}\&lsqb;{\left(n_1\sin \mathrm{\&phi;}\right)}^2+{\left(n_2\cos \mathrm{\&phi;}\right)}^2\&rsqb;{k_z}^2+k_x\sin \left(2\mathrm{\&phi;}\right)\left({n_2}^2-{n_1}^2\right)k_z\\ +\&lsqb;{\left(n_{2}sin\mathrm{\&phi;}\right)}^2+{\left(n_{1}cos\mathrm{\&phi;}\right)}^2\&rsqb;{k_x}^2-{n_1}^2{n_2}^2=0\end{array}---<3>$

其中,

d为各向异性间隔层的物理厚度，n₁、n₂、n₃为各向异性间隔层三个主轴折射率，θ_s为s分量光波在各向异性间隔层内部的折射角度，n_s＝n₃，φ为各向异性间隔层的柱状结构取向角，k_z+和k_z-为满足二元方程<3>的解；

k_x＝2πn₀sinθ₀/λ，A_o＝(n₁sinφ)²+(n₂cosφ)²，B₀＝k_xsin(2φ)(n₂ ²-n₁ ²)，C₀＝[(n₂sinφ)²+(n₁cosφ)²]k_x ²-n₂ ²n₁ ²，Δ＝B₀ ²-4A₀C₀，θ₀为光波入射角度，和

2.根据权利要求1所述的全介质F-P窄带消偏振滤光片，其特征在于所述的高反射膜中高折射率层和低折射率膜层重复的次数x在2～20之间，x值越大，则截止深度越高。

3.根据权利要求1所述的全介质F-P窄带消偏振滤光片，其特征在于所述的透明基底为玻璃。