CN107315210B - 一种全向消偏振介质薄膜激光反射镜及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种具有全向入射角度的消偏振介质薄膜激光反射镜及设计方法。本发明提出的全向消偏振介质薄膜激光反射镜，使用高折射率和低折射率两种薄膜材料交替的组合方式，考虑到入射波长对于折射率的影响，对膜系结构的光学厚度系数矩阵进行多次修正，并经过薄膜设计软件对膜系结构进行全数值优化，最终能够获得入射角0‑90°范围内，最小反射率大于99.88％的全向反射薄膜，并且两个偏振的反射率差最大为0.1％，使得该膜系具有较高的应用价值。

Description

一种全向消偏振介质薄膜激光反射镜及设计方法
技术领域
本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种具有全向入射角度的消偏振介质薄膜激光反射镜及设计方法。
背景技术
激光技术在民用和军用领域已经得到广泛的应用，基于激光的成像与探测技术是现代光电成像与探测技术的重要分支之一。激光偏振测试是近年来发展起来的新型技术，已经覆盖到激光雷达、激光通信和激光引信等领域。偏振成像可以增加目标的信息量，通过测量得到目标散射的激光偏振强度、偏振度和偏振角等信息。因此，在目标探测与识别技术应用中具有较高的军事意义和科学意义。
在激光成像与探测系统中，激光发射的回波信号通过扫描反射镜进入信号接收系统中，因此扫描反射镜是该系统中重要的元件之一。扫描反射镜需要解决两个问题：1)对偏振光的反射率足够高；2)反射镜满足耐摩擦、耐腐蚀等环境适应性。基于上述两点要求，目前常用的金属薄膜反射镜，诸如Al、Au和Ag等，其反射率达到96％以上；在金属薄膜表面加上保护膜，也可以应对第二个要求。尽管如此，为了提高回波信号的探测概率，需要进一步提高反射镜的反射率和表面的环境适应性。因此，基于全介质薄膜的全向反射镜则是解决上述两个问题的关键。
1998年，Fink等人基于光子晶体的概念提出全向反射镜的方法，展示了由9对Ps/Te构成的全向反射镜，覆盖波长范围10-15μm。1999年，Chen等人利用溶胶凝胶的方法制备一个6对的TiO2/SiO2全向反射镜，在近红外波长具有70nm的带宽。Chigrin等人提出了一个19层Na3AlF6/ZnSe结构的全向反射镜，波长范围为604.3-638.4nm。2001年，B.Gallas等人设计了Si/SiO2组合的全向反射镜。国内的同济大学、浙江大学等单位均开展了基于光子晶体的全向反射镜设计与实验研究工作，实验中大多用的是硒化锌(ZnSe)和冰晶石(Na3AIF6)两种材料。美国3M公司根据一维光子晶体的设计思想，用高分子聚合物材料制作了全向反射镜，在正入射时的反射带可覆盖整个可见光区和近红外区，在0-90°入射角范围内，在400-415nm和775-1020nm两个波长范围，反射率均可达到98％以上，在应用中取得良好效果。
尽管如此，基于激光偏振成像与探测技术的发展需求，在消偏振的高反射需求上，上述研究成果并未对偏振特性进行深入分析。因此，本发明提供了一种全向消偏振激光介质薄膜反射镜，可实现0-90°全向反射，S和P偏振反射率差值在0.1％。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提出一种全向消偏振介质薄膜激光反射镜及设计方法，以解决如何在石英基底上实现0-90°入射角范围内，S和P偏振光的全向高反射的技术问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种全向消偏振介质薄膜激光反射镜的设计方法，该设计方法包括如下步骤：
S1、激光反射镜具有多层反射膜，将多层反射膜的膜系结构设计为如下基本结构：
Sub/x1H x2L x3H x4L……x65H x66L/Air
其中，基底Sub为熔融石英材料；H和L分别代表高折射率材料Ta2O5和低折射率材料SiO2，单位光学厚度为λ0/4，λ0为532nm；x1～x66分别为每层薄膜的光学厚度系数；
S2、设定高折射率材料Ta2O5薄膜折射率为2.1175，低折射率材料SiO2薄膜折射率为1.4631，将膜系结构初步设计为：
S3、根据初步设计的膜系结构，提取膜系结构的光学厚度系数矩阵X：
X＝[1.0978 1.3317 1.0477 1.5612……0.9335 1.3077 0.9735 1.6220]
S4、对高折射率材料Ta2O5和低折射率材料SiO2的光学常数进行标定，确定两种材料对于532nm的折射率，分别记为nH(532)和nL(532)，并根据下式得到光学厚度系数矩阵X的修正系数α：
α＝[2.1175/nH(532),1.4631/nL(532),2.1175/nH(532),1.4631/nL(532),
……2.1175/nH(532),1.4631/nL(532),2.1175/nH(532),1.4631/nL(532)]
S5、利用修正系数α，根据下式对光学厚度系数矩阵X进行修正，得到修正后的光学厚度系数矩阵Y：Y＝αX；
S6、在激光反射镜对任意波长λb进行反射时，根据下式对修正后的光学厚度系数矩阵Y进行二次修正，得到二次修正后的光学厚度系数矩阵β：β＝Y×λb/λ0，其中，β＝[β1β2β3β4……β63β64β65β66]；
S7、根据光学厚度系数矩阵β，将多层反射膜的膜系结构设计为如下初始结构：
Sub/β1Hβ2Lβ3Hβ4L……β63Hβ64Lβ65Hβ66L/Air
S8、基于膜系结构的初始结构，设定激光反射镜的反射率目标，利用商业化薄膜设计软件对初始结构进行全数值优化，最终得到应用于入射波长λb的激光反射镜的最终膜系结构。
进一步地，本发明还提出一种全向消偏振介质薄膜激光反射镜，采用上述设计方法得到，该激光反射镜用于532nm的反射，最终膜系结构为：
进一步地，该激光反射镜在入射角度0-90°范围内，P偏振最大反射率为99.99％，P偏振最小反射率为99.88％；S偏振最大反射率为99.99％，S偏振最小反射率为99.96％；角度谱中两个偏振反射率差值最大为0.1％。
进一步地，本发明还提出一种全向消偏振介质薄膜激光反射镜，采用上述设计方法得到，该激光反射镜用于1064nm的反射，最终膜系结构为：
进一步地，该激光反射镜在入射角度0-90°范围内，P偏振最大反射率为99.99％，P偏振最小反射率为99.76％；S偏振最大反射率为99.99％，S偏振最小反射率为99.91％；角度谱中两个偏振反射率差值最大为0.24％。
(三)有益效果
本发明提出的全向消偏振介质薄膜激光反射镜，使用高折射率和低折射率两种薄膜材料交替的组合方式，考虑到入射波长对于折射率的影响，对膜系结构的光学厚度系数矩阵进行多次修正，并经过薄膜设计软件对膜系结构进行全数值优化，最终能够获得入射角0-90°范围内，最小反射率大于99.88％的全向反射薄膜，并且两个偏振的反射率差最大为0.1％，使得该膜系具有较高的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例激光反射镜的膜系结构示意图；
图2为本发明实施例Ta2O5薄膜的光学常数；
图3为本发明实施例SiO2薄膜的光学常数；
图4为本发明实施例对于532nm激光波长全向反射率曲线；
图5为本发明实施例对于1064nm激光波长全向反射率曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例提出一种全向消偏振介质薄膜激光反射镜的设计方法，该设计方法包括如下步骤：
S1、激光反射镜具有多层反射膜，将多层反射膜的膜系结构设计为如下基本结构，如图1所示：
Sub/x1H x2L x3H x4L……x65H x66L/Air
其中，基底Sub为熔融石英材料；H和L分别代表高折射率材料Ta2O5和低折射率材料SiO2，单位光学厚度为λ0/4，λ0为532nm；x1～x66分别为每层薄膜的光学厚度系数；
S2、设定高折射率材料Ta2O5薄膜折射率为2.1175，低折射率材料SiO2薄膜折射率为1.4631，将膜系结构初步设计为：
S3、根据初步设计的膜系结构，提取膜系结构的光学厚度系数矩阵X：
X＝[1.0978 1.3317 1.0477 1.5612……0.9335 1.3077 0.9735 1.6220]
S4、分别对Ta2O5和SiO2的光学常数进行标定，如图2和3所示，由此确定两种材料对于532nm的折射率，分别记为nH(532)和nL(532)，并根据下式得到光学厚度系数矩阵X的修正系数α：
α＝[2.1175/nH(532),1.4631/nL(532),2.1175/nH(532),1.4631/nL(532),
……2.1175/nH(532),1.4631/nL(532),2.1175/nH(532),1.4631/nL(532)]
S5、利用修正系数α，根据下式对光学厚度系数矩阵X进行修正，得到修正后的光学厚度系数矩阵Y：Y＝αX；
S6、在激光反射镜对任意波长λb进行反射时，根据下式对修正后的光学厚度系数矩阵Y进行二次修正，得到二次修正后的光学厚度系数矩阵β：β＝Y×λb/λ0，其中，β＝[β1β2β3β4……β63β64β65β66]；
S7、根据光学厚度系数矩阵β，将多层反射膜的膜系结构设计为如下初始结构：
Sub/β1Hβ2Lβ3Hβ4L……β63Hβ64Lβ65Hβ66L/Air
S8、基于膜系结构的初始结构，设定激光反射镜的反射率目标，利用商业化薄膜设计软件对初始结构进行全数值优化，最终得到应用于入射波长λb的激光反射镜的最终膜系结构。
根据上述方法，对激光反射镜进行设计，本实施例能够得到多种全向消偏振介质薄膜激光反射镜：
1.用于532nm反射的激光反射镜，最终膜系结构为：
该激光反射镜在入射角度0-90°范围内，P偏振最大反射率为99.99％，P偏振最小反射率为99.88％；S偏振最大反射率为99.99％，S偏振最小反射率为99.96％；角度谱中两个偏振反射率差值最大为0.1％。
2.用于1064nm反射的激光反射镜，最终膜系结构为：
该激光反射镜在入射角度0-90°范围内，P偏振最大反射率为99.99％，P偏振最小反射率为99.76％；S偏振最大反射率为99.99％，S偏振最小反射率为99.91％；角度谱中两个偏振反射率差值最大为0.24％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种全向消偏振介质薄膜激光反射镜的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：
S1、所述激光反射镜具有多层反射膜，将所述多层反射膜的膜系结构设计为如下基本结构：
Sub/x1H x2L x3H x4L……x65H x66L/Air
其中，基底Sub为熔融石英材料；H和L分别代表高折射率材料Ta2O5和低折射率材料SiO2，单位光学厚度为λ0/4，λ0为532nm；x1～x66分别为每层薄膜的光学厚度系数；
S2、设定所述高折射率材料Ta2O5薄膜折射率为2.1175，所述低折射率材料SiO2薄膜折射率为1.4631，将所述膜系结构初步设计为：
S3、根据初步设计的所述膜系结构，提取所述膜系结构的光学厚度系数矩阵X：
X＝[1.0978 1.3317 1.0477 1.5612……0.9335 1.3077 0.9735 1.6220]
S4、对所述高折射率材料Ta2O5和所述低折射率材料SiO2的光学常数进行标定，确定两种材料对于532nm的折射率，分别记为nH(532)和nL(532)，并根据下式得到所述光学厚度系数矩阵X的修正系数α：
α＝[2.1175/nH(532),1.4631/nL(532),2.1175/nH(532),1.4631/nL(532),……2.1175/nH(532),1.4631/nL(532),2.1175/nH(532),1.4631/nL(532)]
S5、利用所述修正系数α，根据下式对所述光学厚度系数矩阵X进行修正，得到修正后的光学厚度系数矩阵Y：Y＝αX；
S6、在所述激光反射镜对任意波长λb进行反射时，根据下式对所述修正后的光学厚度系数矩阵Y进行二次修正，得到二次修正后的光学厚度系数矩阵β：β＝Y×λb/λ0，其中，β＝[β1β2 β3 β4……β63 β64 β65 β66]；
S7、根据所述光学厚度系数矩阵β，将所述多层反射膜的膜系结构设计为如下初始结构：
Sub/β1H β2L β3H β4L……β63H β64L β65H β66L/Air
S8、基于所述膜系结构的初始结构，设定所述激光反射镜的反射率目标，利用商业化薄膜设计软件对所述初始结构进行全数值优化，最终得到应用于入射波长λb的激光反射镜的最终膜系结构。
2.一种全向消偏振介质薄膜激光反射镜，采用如权利要求1所述的设计方法得到，其特征在于，所述激光反射镜用于532nm的反射，最终膜系结构为：
3.如权利要求2所述的激光反射镜，其特征在于，所述激光反射镜在入射角度0-90°范围内，P偏振最大反射率为99.99％，P偏振最小反射率为99.88％；S偏振最大反射率为99.99％，S偏振最小反射率为99.96％；角度谱中两个偏振反射率差值最大为0.1％。
4.一种全向消偏振介质薄膜激光反射镜，采用如权利要求1所述的设计方法得到，其特征在于，所述激光反射镜用于1064nm的反射，最终膜系结构为：
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