CN109683225A - 一种用于消偏振的平板薄膜截止滤光片 - Google Patents

一种用于消偏振的平板薄膜截止滤光片 Download PDF

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张勇军
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Abstract

本发明公开了一种用于消偏振的平板薄膜截止滤光片，其包括沉积在平板基底上的薄膜，薄膜的基本周期结构为：aXbY；其中，X与Y均表示为薄膜结构，a为薄膜结构X的倍数，b为薄膜结构Y的倍数；X与Y均包括依次交替层叠的四分之一波长光学厚度的高折射率膜层H和四分之一波长光学厚度的低折射率膜层L，X的膜层数目与Y的膜层数目相等，Y的第一膜层与X的最后一膜层不同；该用于消偏振的平板薄膜截止滤光片适用范围广、品质高、简单易行，可有效地消除任意入射角度下，过渡带P‑和S‑在50％透过率处的偏振光谱分离量，且适用于当前光学薄膜行业的所有介质薄膜材料，进而有利于大幅度提升产品的良品率。

Description

一种用于消偏振的平板薄膜截止滤光片
技术领域
本发明涉及光学薄膜领域，具体涉及一种用于消偏振的平板薄膜截止滤光片。
背景技术
在空间激光通信基础上发展起来的空间量子通信技术，是当前研究的热门。在量子通信过程中，量子密钥分发的信息载体为线偏振光的不同偏振态，因此，对于平板基底，在光路中必须尽可能消除薄膜因倾斜入射产生的偏振效应。
所谓的偏振效应，是指光倾斜入射在薄膜上时，通常会产生P-和S-偏振分量之间的分离。在量子密钥分发过程中使用的薄膜，通常是以平板为基底、45°入射的短波通或长波通截止滤光片，要求薄膜可以分离两个相近波长，使得其中一个波长高反射，另一个波长高透射，并要求过渡带P-和S-偏振光在50％透过率处的偏振光谱分离尽可能小。
现有技术中常规短波通或长波通截止滤光片的初始结构分别是和其中，G和A分别表示平板基底和空气，和分别表示不同的从平板基底G到空气A依次排列的滤光片间隔层，H和L分别代表高低折射率材料的四分之一光学厚度，p为周期数；该初始结构的截止滤光片迄今为止有着广泛的应用，但在大角度倾斜入射时，过渡带处P-和S-偏振分离非常严重，不适用于空间量子通信技术。
如今，如何消除平板薄膜的这种偏振效应是一个棘手的难题，而解决问题的关键是找到一个合适的初始膜系结构。国际上Costich、Mahlein和Thelen都曾对此进行过深入细致的研究，提出了一些设计理论，但无实际应用价值。浙江大学的顾培夫教授设计了一款消偏振截止滤光片；其给出的典型初始结构是G(HLHnHLHL)PA；其中，n为间隔层的级次，取大于8的自然数；该设计方法的实用性虽得到了一定程度的验证；但其存在显著的缺陷。
其一，由于间隔层的级次较高，使得薄膜的整体厚度很厚，不利于实际制备；其二，透过带和截止带的宽度不够，适用范围较小；其三，当H和L折射率不匹配时，可能会出现无法消除过渡带处P-和S-偏振分离量的情况。因此，设计一款适用范围广、品质高，对于平板基底，能够有效地消除任意入射角度下，过渡带P-和S-在50％透过率处的偏振光谱分离量的平板薄膜截止滤光片成为当今研究的热点与重点。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的用于消偏振的平板薄膜截止滤光片适用范围广、品质高、简单易行，可有效地消除任意入射角度下，过渡带P-和S-在50％透过率处的偏振光谱分离量，且适用于当前光学薄膜行业的所有介质薄膜材料，进而有利于大幅度提升产品的良品率。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：提供一种用于消偏振的平板薄膜截止滤光片，其包括沉积在平板基底上的薄膜，薄膜的基本周期结构为：aXbY；其中，X与Y均表示为薄膜结构，a为薄膜结构为X的倍数，b为薄膜结构为Y的倍数；X与Y均包括依次交替层叠的四分之一波长光学厚度的高折射率膜层H和四分之一波长光学厚度的低折射率膜层L，X的膜层数目与Y的膜层数目相等，Y的第一膜层与X的最后一膜层不同。
进一步地，X的第一膜层为四分之一波长光学厚度的高折射率膜层H或四分之一波长光学厚度的低折射率膜层L，X与Y的膜层数至少为两层。
进一步地，X为(HL)时，Y为(HL)，薄膜的基本周期结构为a(HL)b(HL)；此时，薄膜的初始结构为G[a(HL)b(HL)]PA；其中，G表示为平板基底，A表示为空气，P为周期数；[a(HL)b(HL)]P表示为从平板基底到空气依次排列的周期为P、薄膜结构为a(HL)b(HL)的滤光片。
进一步地，X为(HLH)时，Y为(LHL)，薄膜的基本周期结构为a(HLH)b(LHL)。此时，薄膜的初始结构为G[a(HLH)b(LHL)]PA；其中，G表示为平板基底，A表示为空气，P为周期数；[a(HLH)b(LHL)]P表示为从平板基底到空气依次排列的周期为P、薄膜结构为a(HLH)b(LHL)的滤光片。
进一步地，X为(HLHL)时，Y为(HLHL)，薄膜的基本周期结构为a(HLHL)b(HLHL)。此时，薄膜的初始结构为G[a(HLHL)b(HLHL)]PA；其中，G表示为平板基底，A表示为空气，P为周期数；[a(HLHL)b(HLHL)]P表示为从平板基底到空气依次排列的周期为P、薄膜结构为a(HLHL)b(HLHL)的滤光片。
本发明的有益效果为：
该用于消偏振的平板薄膜截止滤光片可通过调整倍数a和b对应薄膜结构中的膜层数，即可方便实现调整透过带和截止带的宽度。并且通过调整a和b的相对比例，即可调整光倾斜入射时过渡带P-和S-在50％透过率处的偏振光谱分离量，直至完全消偏振；对于平板基底，可有效消除任意入射角度下，过渡带P-和S-在50％透过率处的偏振光谱分离量。本发明简单易行，利用计算机借助于任何常规薄膜设计软件即可完成；且针对性强，适用范围广，品质高；此设计适用于当前光学薄膜行业的所有介质薄膜材料；同时设计得到的膜系，不包含极厚层，膜层总厚度较薄，有利于精确制备、大幅度提升产品的良品率。
附图说明
图1示意性地给出了用于消偏振的平板薄膜截止滤光片基本周期结构的结构示意图。
图2为初始结构G[0.8(HL) 1.2(HL)]20A的光谱曲线。
图3为初始结构G[0.7(HL) 1.3(HL)]22A的光谱曲线。
图4为初始结构G[0.7(HL) 1.3(HL)]22A优化后的光谱曲线。
图5为初始结构G[0.7(HLH) 1.3(LHL)]22A的光谱曲线。
图6为初始结构G[0.7(HLH) 1.3(LHL)]13A优化后的光谱曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一种实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
量子通信中，需要光在45°入射情况下，分离810nm和850nm两个波长，使得810nm的透过率大于98％，850nm的反射率大于99％，同时要求过渡带的P-和S-在50％透过率处的偏振光谱分离量小于1nm。而光倾斜入射在沉积在平板基底的薄膜上时，不可避免的会产生P-和S-偏振分量之间的分离，常规的短波通或长波通截止滤光片，当倾斜使用时，由于偏振效应，使得过渡带P-和S-在50％透过率处的偏振光谱严重分离，从而不能使用；为此本发明提供了一种用于消偏振的平板薄膜截止滤光片。
如图1所示，该用于消偏振的平板薄膜截止滤光片包括沉积在平板基底上的薄膜，薄膜的基本周期结构为：aXbY；其中，X与Y均表示为薄膜结构，a为薄膜结构X的倍数，b为薄膜结构Y的倍数。X与Y均包括依次交替层叠的四分之一波长光学厚度的高折射率膜层H和四分之一波长光学厚度的低折射率膜层L，X的第一膜层为四分之一波长光学厚度的高折射率膜层H或四分之一波长光学厚度的低折射率膜层L，且X与Y的膜层数至少为两层。如：(HL)，(HLH)，(HLHL)，(HLHLH)等，依次类推可以有更多按照顺序交替排列的HL膜层；或(LH)，(LHL)，(LHLH)，(LHLHL)等，依次类推可以有更多按照顺序交替排列的LH膜层。
该用于消偏振的平板薄膜截止滤光片X的膜层数目与Y的膜层数目相等，Y的第一膜层与X的最后一膜层不同。如：若a对应的薄膜结构X为(HLH)时，则b对应的薄膜结构Y为(LHL)；若a对应的薄膜结构X为(HLHL)时，则b对应的薄膜结构Y为(HLHL)，依次类推。
在具体实施中，可通过调整倍数a和b对应薄膜结构中的膜层数，即可方便实现调整透过带和截止带的宽度。并且通过调整a和b的相对比例，即可调整光倾斜入射时过渡带P-和S-在50％透过率处的偏振光谱分离量，直至完全消偏振；对于平板基底，可有效消除任意入射角度下，过渡带P-和S-在50％透过率处的偏振光谱分离量。
在实际操作中，本发明的膜系设计简单，借助于任何常规薄膜设计软件即可完成，适用于当前光学薄膜行业的所有介质薄膜材料；同时，设计得到的膜系，不包含极厚层，膜层总厚度较薄，有利于精确制备，有利于大幅度提升产品的良品率。
本发明的优选实施例为：X为(HL)，Y为(HL)，薄膜的基本周期结构为a(HL)b(HL)；薄膜的初始结构为G[a(HL) b(HL)]PA；其中，G表示为平板基底，A表示为空气，P为周期数；[a(HL) b(HL)]P表示为从平板基底到空气依次排列的周期为P、薄膜结构为a(HL)b(HL)的滤光片。
四分之一波长光学厚度的低折射率膜层L为SiO2，折射率设为1.45；四分之一波长光学厚度的高折射率膜层H为Ta2O5，折射率为2.21，平板基底G为BK7，入射介质A为空气，此处不考虑薄膜和基底的吸收。
给出初始结构：G[a(HL) b(HL)]PA，暂时取a＝0.8，b＝1.2，p＝20，参考波长取460nm，光45°入射时，得到如图2所示的光谱曲线；其过渡带的P-和S-在50％透过率处的偏振光谱分离量较大，同时，850nm附近的反射率不够高。
因此，进一步调整参数为：a＝0.7，b＝1.3，p＝22，参考波长取470nm，得到如图3所示的光谱曲线；此时过渡带的P-和S-在50％透过率处的偏振光谱分离量几乎为0，同时，极大地提高了850nm附近的反射率。由此得出薄膜初始结构为G[0.7(HL) 1.3(HL)]22A，并依此为基础，运用任何薄膜设计软件，即可以得到理想的消偏振短波通。
如图4所示，光45°入射时，初始结构G[0.7(HL) 1.3(HL)]22A优化后的光谱曲线；图4为以G[0.7(HL) 1.3(HL)]22A为基础，参考波长取470nm，优化得到的最终结果；可以发现810nm的透过率大于98.2％，850nm的反射率大于99.1％，过渡带的P-和S-在50％透过率处的偏振光谱分离量为0.9nm，完全满足使用需求。
本发明的优选实施例为：X为(HLH)，Y为(LHL)，薄膜的基本周期结构为a(HLH)b(LHL)；薄膜的初始结构为G[a(HLH) b(LHL)]PA；其中，G表示为平板基底，A表示为空气，P为周期数；[a(HLH) b(LHL)]P表示为从平板基底到空气依次排列的周期为P、薄膜结构为a(HLH)b(LHL)的滤光片间隔层。
四分之一波长光学厚度的低折射率膜层L为SiO2，折射率设为1.45；四分之一波长光学厚度的高折射率膜层H为Ta2O5，折射率为2.21，平板基底G为BK7，入射介质A为空气，此处不考虑薄膜和基底的吸收。
给出初始结构：G[a(HLH) b(LHL)]PA，暂时取a＝0.7，b＝1.3，p＝22，参考波长取635nm，光45°入射时，得到如图5所示的光谱曲线；其过渡带的P-和S-在50％透过率处的偏振光谱分离量非常小，850nm附近的反射带宽变宽，但反射率明显较高，此时，表明周期p偏大，需要进一步调整。
因此，进一步调整参数为：a＝0.7，b＝1.3，p＝13，参考波长取635nm，优化后得到如图6所示的光谱；此时，可发现810nm的透过率大于99.6％，850nm的反射率大于99.7％，反射带得到了展宽，P-反射带由图4的915nm扩展到图6的940nm，过渡带的P-和S-在50％透过率处的偏振光谱分离量为0.7nm。
G[a(HLH) b(LHL)]PA的初始结构是对G[a(HL)b(HL)]PA初始结构的优化设计，G[a(HL) b(HL)]PA可使810nm的透过率大于98.2％，850nm的反射率大于99.1％，过渡带的P-和S-在50％透过率处的偏振光谱分离量为0.9nm；但其850nm所在的反射带不够宽，810nm所在的透过带过于宽；此时，调整基本周期结构中的膜层数，调整为G[a(HLH)b(LHL)]PA，可发现810nm的透过率大于99.6％，850nm的反射率大于99.7％，反射带得到了展宽，P-反射带由图4的915nm扩展到图6的940nm，过渡带的P-和S-在50％透过率处的偏振光谱分离量为0.7nm；通过基本周期结构中的膜层数，即可很方便的调整透过带和截止带的宽度。
该用于消偏振的平板薄膜截止滤光片可通过调整倍数a和b对应薄膜结构中的膜层数，即可方便实现调整透过带和截止带的宽度。并且通过调整a和b的相对比例，即可调整光倾斜入射时过渡带P-和S-在50％透过率处的偏振光谱分离量，直至完全消偏振；对于平板基底，可有效消除任意入射角度下，过渡带P-和S-在50％透过率处的偏振光谱分离量。本发明简单易行，利用计算机借助于任何常规薄膜设计软件即可完成；且针对性强，适用范围广，品质高；此设计适用于当前光学薄膜行业的所有介质薄膜材料；同时设计得到的膜系，不包含极厚层，膜层总厚度较薄，有利于精确制备、大幅度提升产品的良品率。
对所公开的实施例的上述说明，是本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将使显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制与本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种用于消偏振的平板薄膜截止滤光片，其特征在于：包括沉积在平板基底上的薄膜，所述薄膜的基本周期结构为：aXbY；其中，X与Y均表示为薄膜结构，a为薄膜结构X的倍数，b为薄膜结构Y的倍数；
所述X与Y均包括依次交替层叠的四分之一波长光学厚度的高折射率膜层H和四分之一波长光学厚度的低折射率膜层L，所述X的膜层数目与Y的膜层数目相等，所述Y的第一膜层与X的最后一膜层不同。
2.根据权利要求1所述的用于消偏振的平板薄膜截止滤光片，其特征在于：所述X的第一膜层为四分之一波长光学厚度的高折射率膜层H或四分之一波长光学厚度的低折射率膜层L，所述X与Y的膜层数至少为两层。
3.根据权利要求2所述的用于消偏振的平板薄膜截止滤光片，其特征在于：所述X为(HL)时，所述Y为(HL)，所述薄膜的基本周期结构为a(HL)b(HL)。
4.根据权利要求2所述的用于消偏振的平板薄膜截止滤光片，其特征在于：所述X为(HLH)时，所述Y为(LHL)，所述薄膜的基本周期结构为a(HLH)b(LHL)。
5.根据权利要求1～4任一项所述的用于消偏振的平板薄膜截止滤光片，其特征在于：所述薄膜的初始结构为G[aXbY]PA；
其中，G表示为平板基底，A表示为空气，P为周期数，[aXbY]P表示为从平板基底G到空气A依次排列的周期为P、薄膜结构为[aXbY]的滤光片。
6.根据权利要求1所述的用于消偏振的平板薄膜截止滤光片，其特征在于：所述四分之一波长光学厚度的低折射率膜层L和高折射率膜层H都为光学介质膜，所述平板基底为常规光学玻璃。
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