CN110749950A - 一种折射率匹配的消偏振膜系 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学薄膜领域，尤其涉及一种折射率匹配的消偏振膜系，是以三种材料的消偏振膜系S|(αHβLγMβLαH)^ⁿ|A为基础，根据折射率匹配原理，通过采用匹配膜堆(aHbLaH)替代原有的γM膜层，从而实现两种材料的设计的基础膜系公式：S|(αHβLaHbLaHβLαH)^ⁿ|A,其中：S为玻璃基底；A为空气；H为高折射率材料；L为低折射率材料；a、b为折射率匹配系数；α、β分别表示不同材料的匹配系数；n为循环次数；H、L光学厚度为λ₀/4。该膜系在满足倾斜入射应用领域的消偏振需求的基础上大幅降低生产工艺的难度。

Description

一种折射率匹配的消偏振膜系

技术领域

本发明涉及光学薄膜领域，尤其涉及一种折射率匹配的消偏振膜系。

背景技术

消偏振膜系主要用于倾斜使用的干涉截止滤光片中，其作用是消除常规膜系因倾斜入射导致的偏振分离，保证截止陡度和透射区宽度满足应用需求。现有的消偏振膜系无法兼顾消偏振能力和通带宽度。中国专利(CN105242340B)公开了一种三种折射率材料构成的消偏振膜系，光谱性能良好，其中间折射率材料是通过材料配比的方法实现，工艺过程需要采用共蒸镀技术，技术难度较大，无法实现产业化。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于折射率匹配法的消偏振膜系，其采用高、低两种折射率材料通过膜层厚度匹配的方法间接得到中间折射率材料，在保证光谱性能的前提下，大幅降低工艺难度，易于实现产业化。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种折射率匹配的消偏振膜系,其膜系结构为：

S|(αHβLaHbLaHβLαH)^ⁿ|A

其中：S为玻璃基底；A为空气；H为高折射率膜层材料；L为低折射率膜层材料；a、b为折射率匹配系数；α、β分别表示不同材料的匹配系数；n为循环次数；H、L光学厚度为λ₀/4。

本发明折射率匹配的消偏振膜系，由基础循环单元和折射率匹配单元共同组成:

三种材料五层循环消偏振膜系：S|(αHβLγMβLαH)^ⁿ|A；

M折射率匹配膜堆：(aHbLaH)；

组合后的折射率匹配消偏振膜系：S|(αHβLaHbLaHβLαH)^ⁿ|A

其中：S为玻璃基底；A为空气；H为高折射率膜层材料；L为低折射率膜层材料；M为中间折射率膜层材料；a、b为折射率匹配系数；α、β、γ分别表示不同材料的匹配系数；n为循环次数；H、L、M光学厚度为λ₀/4。

本发明中所述的高折射率膜层材料为TiO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、HfO₂中任意一种，低折射率膜层材料为SiO₂。

本发明在减少一种镀膜材料的基础上仍能保持光谱性能不变，优化了工艺路线。常规镀膜设备主要针对两种镀制材料(双电子枪或者双靶)设计的，通过坩埚切换的方式可以实现多种材料的镀制，但膜系层数和材料选择均受到一定的制约，无法实现此类产品的生产。本发明在光线倾斜入射的应用中不仅具备良好的光谱特性，且具备工艺过程简单的优点，具体如下：

1、高陡度，满足透射区(T＞90％)和截止区(T＜2％)之间的波长范围小于10nm。

2、宽透射带，满足透射区(T＞90％)范围达到400nm以上。一般设计理念，该类产品透射范围的极限值为300nm。

3、小的偏振分离度，P光、S光在T＝50％T_PK处的偏振分离度小于1nm。

4、中间折射率材料M为H、L两种材料通过物理厚度匹配实现，整个膜系的实现只需两种材料，工艺过程简单，可以满足产业化需求。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。

图1为现有二向分色镜消偏振膜系(1.5LH1.5L)^ⁿ设计曲线；

图2为现有二向分色镜基于带通膜系的单侧消偏振膜系设计曲线；

图3为中国专利(CN105242340B)三种材料匹配的消偏振膜系结构示意图；

图4为本发明膜系结构示意图；

图5为本发明膜系设计曲线；

图6为本发明设计曲线的局部放大图。

具体实施方式

如图4所示，折射率匹配的消偏振膜系，是以三种材料的消偏振膜系S|(αHβLγMβLαH)^ⁿ|A为基础，根据折射率匹配原理，通过采用匹配膜堆(aHbLaH)替代原有的γM膜层，从而实现两种材料的设计的基础膜系公式：S|(αHβLaHbLaHβLαH)^ⁿ|A

其中：S为玻璃基底；A为空气；H为高折射率膜层材料；L为低折射率膜层材料；a、b为折射率匹配系数；α、β分别表示不同材料的匹配系数；n为循环次数；H、L光学厚度为λ₀/4。

本发明中所述的高折射率膜层材料为TiO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、HfO₂中任意一种，低折射率膜层材料为SiO₂。

实施例:

根据膜系基础结构，按实际需求选择高折射率膜层、低折射率膜层两种材料、合适的折射率匹配系数a、b，以及合适的循环次数(n)实现。如：

H材料Nb2O5：(n＝2.4987)；

L材料SiO2：(n＝1.4743)；

循环次数n＝25；

取α＝1、β＝1；(其取值范围可以根据具体的光谱要求在0.8-1.2之间波动)；

目标匹配折射率n＝1.79，匹配系数取值：a＝0.46973，b＝0.10365。

对设定目标值进行优化，根据实际计算结果，去除极薄层，获得最终膜系。

设计初始膜系为：(HL0.46973H0.10365L0.46973HLH)^25

设计初始膜系列表见表一：

表一：

Layer	Material	Refractive Index	Optical Thickness	Physical Thickness(nm)
					1	Nb2O5	2.3987	1	50.87
2	SiO2	1.4743	1	82.77
					3	Nb2O5	2.3987	0.46973	23.9
4	SiO2	1.4743	0.10365	8.58
					5	Nb2O5	2.3987	0.46973	23.9
6	SiO2	1.4743	1	82.77
					7	Nb2O5	2.3987	2	101.74

初始设计根据目标值，经Essential Macleod光学薄膜设计软件优化后的物理厚度分布见表二：

表二

可以理解地是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种折射率匹配的消偏振膜系,其特征在于,膜系结构为：

S|(αHβLaHbLaHβLαH)^ⁿ|A

其中：S为玻璃基底；A为空气；H为高折射率膜层材料；L为低折射率膜层材料；a、b为折射率匹配系数；α、β分别表示不同材料的匹配系数；n为循环次数；H、L光学厚度为λ₀/4。

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