CN114114703A - 适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜及其制备方法，其包含两个等腰直角棱镜及胶合其中的全介质混合材料消偏分光膜。入射光在±5°范围内入射胶合后的棱镜，会被分为两束子光束出射，分别为透射光和反射光，两者光强比为50％:50％，每束出射子光束中s向与p向偏振光的光强差值在入射光光强的±3％以内。全介质混合材料消偏分光膜由具有高、中、低三种折射率的膜材按照一定顺序依次交替镀制而成，其中，中间折射率膜材可能并不存在于现有种类的膜材中。本发明通过混合共溅射方式突破材料折射率范围的限制，极大地增强了基板、入射角和工作波长以及膜层材料的可选性，使本发明所述的消偏棱镜的应用场景更加广泛。
Description
技术领域
本发明涉及光学及光学薄膜技术领域，尤其涉及一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜及其制备方法。
背景技术
基于分光膜的分光棱镜能使分开后的子光束具有相同的光程，在干涉仪、高端成像设备等领域有着广泛的应用。但是，由于光束以一定角度入射分光棱镜后，分光膜对s向偏振光与p向偏振光表现出不同的等效折射率，导致s向和p向的光透反比不同，出现偏振分离现象。在对偏振光强有严格要求的分光器件中，不管入射光偏振状态如何，都要达到稳定的透反比，因此，必须消除这样的偏振效应。消除这种偏振效应的分光棱镜就是消偏分光棱镜。
目前，消偏分光棱镜大多通过光学薄膜来实现。消偏分光膜主要分全介质薄膜和金属加介质两类。全介质薄膜的消偏分光棱镜一般采用三种或三种以上的膜层材料制备消偏分光膜，膜材折射率与基板折射率及入射角要满足一定关系时，才能获得较好的消偏效果。然而，光学薄膜材料数量有限，可选材料相应的折射率范围也受限。因此，全介质消偏分光棱镜受光学薄膜材料限制，仅能用于几种特定入射角和膜材与基底折射率相匹配的情况，也难以满足发散光束宽角度入射的分光需求。而金属加介质的消偏分光膜虽然制备相对简单，但是具有较大吸收。较大的薄膜吸收不仅损失能量，还会导致不同方向入射棱镜得到的透反比存在较大差异。相关专利，“一种全介质消偏振分光棱镜及其制备方法(申请公布号：CN 107561623 A)”等，对基板、镀膜材料具有挑剔性，且消偏分光能力对入射角度偏差会有较大波动；如“一种消偏振分光棱镜(授权公告号：CN 212872964 U)”、“一种消偏分光棱镜及其镀膜方法(申请公布号：CN 109445008 A)”等虽能起到较好的消偏效果，但是吸收较大，理论上就接近10％。
发明内容
本发明的目的是：突破现有消偏分光棱镜受可选材料限制，解决分光能力因入射角度变化出现较大波动的问题，提出一种适用于宽角度入射的全介质混合材料消偏分光棱镜的设计方法及制备方法。其膜层牢固度好、硬度强，分光后的两子光束光强比为50％：50％，每束出射子光束中s向与p向偏振光的光强差值在入射光光强的±3％以内。
本发明采用的技术方案为：一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜的制备方法，该方法包括如下步骤：
步骤(1)、所述棱镜由两个等角直角棱镜及胶合其中的全介质混合材料消偏分光膜组成；
步骤(2)、所述全介质混合材料消偏分光膜由高、中、低三种折射率膜材按照一定顺序交替镀制而成，而中间折射率材料根据膜系设计所需折射率由高、低折射率材料按比例混合共同溅射而成；
步骤(3)、所述全介质混合材料消偏分光膜的中间折射率理论值由公式(1)和(2)确定：
ΔnGΔn2Δn4…Δn4k＝Δn1Δn3…Δn4k+1， (1)
其中，k为膜层系数，4k+1表示消偏分光膜总层数，ΔnG表示基板G的偏振分离，Δn1表示第1层材料的偏振分离，Δn2表示第2层材料的偏振分离，Δn3表示第3层材料的偏振分离，Δn4表示第4层材料的偏振分离，Δn4k表示第4k层材料的偏振分离，Δn4k+1表示第4k+1层材料的偏振分离，Δn2Δn4…Δn4k为第2层至第4k层中偶数层材料的偏振分离的乘积，Δn1Δn3…Δn4k+1为第1层至第4k+1层中奇数层材料的偏振分离的乘积，k的取值范围为4-18，各层材料将是高、中、低折射率材料中的一种，材料的偏振分离Δnj，j代表不同材料H、L、M、G，定义为：
基板G折射率表示为nG、高折射率材料H的折射率表示为nH，低折射率材料L的折射率表示为nL，中间折射率材料M的折射率表示为nM；
步骤(4)、所述全介质混合材料消偏分光膜的基础膜系结构为：
G/x1(a1L b1M c1H d1M)^m1/x2(a2H b2M c2L d2M)^m2/H/x3(a3M b3L c3M d3H)^m3/x4(a4M b4H c4M d4L)^m4/G，
其中，H、L、M及G分别表示为高、低、中间折射率材料及基板，xi(i＝1-4)、ai(i＝1-4)、bi(i＝1-4)、ci(i＝1-4)、di(i＝1-4)、mi(i＝1-4)为膜系结构系数，xi、ai、bi、ci、di为0-3范围内任意数值，mi为0-8范围内整数，ai、bi、ci、di的单位为中心波长的四分之一光学厚度，光学厚度＝膜厚*折射率，通过计算机模拟计算得到接近设计目标的膜系结构系数；
步骤(5)、所述全介质混合材料消偏分光膜在得到接近目标的基础膜系结构后，根据入射、出射介质折射率和入射角宽度匹配信息，用计算机进一步深度优化膜系理论结构，得到最终的膜系结构。
进一步地，所述高折射率膜层可以由Nb2O5、Ta2O5、TiO2中任意一种制成，折射率适用范围为2.05-2.58；所述低折射率膜料为SiO2，折射率适用范围为1.45-1.50；所述的中间折射率膜层根据膜系设计不同需求由高、低折射率材料按照不同比例混合共同溅射制备而成，其折射率介于高、低折射率之间。
进一步地，所述的等腰直角棱镜材料可为K9L或者B270或者BK7或者JGS1或者7980等牌号玻璃，基板折射率适用范围1.43-1.55。
进一步地，一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜的制备方法，实现步骤如下：
步骤(11)、根据基板和膜层高、低折射率材料，确定全介质混合材料消偏分光膜总层数取值范围；
步骤(12)、根据公式(1)、公式(2)确定中间折射率材料的取值范围；
步骤(13)、共同溅射高、低折射率材料，通过调整沉积速率，得到性能稳定的中间折射率膜层及实现此混合膜层的工艺参数；
步骤(14)、根据基板材料和高、中、低折射率膜层材料特性，完成全介质混合材料消偏分光膜的基础膜系设计和深度优化，获得最终的膜系结构；
步骤(15)、准备基板材料，对基板进行镀膜前清洗后，装入镀膜机工作腔体；
步骤(16)、对工作腔体进行抽气，使腔内获得真空，镀膜前本底气压低于5*10-3Pa，而后对基板进行加热烘烤，烘烤温度100-150℃，烘烤时长5-30分钟；
步骤(17)、使用射频离子源对基板表面进行轰击2-5分钟；
步骤(18)、使用离子束辅助反应磁控溅射的方式在步骤(17)的基础上，采用步骤(13)中混合材料比例及工艺参数，按照步骤(14)中的膜系结构，从棱镜基板表面开始依次交替镀制膜层；
步骤(19)、将镀好全介质混合材料消偏分光膜的等腰直角棱镜进行胶合。
进一步地，一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜的制备方法，实现工艺条件如下：
(21)、镀制全介质混合材料消偏分光膜的过程中，镀制高折射率膜层材料时，沉积速率控制在0.4-0.65nm/s之间，充氩量为35-60sccm，充氧量为45-50sccm，溅射工作功率为3000-6000W；
(22)、镀制低折射率膜层材料时，沉积速率控制在0.05-0.45nm/s之间，充氩量为45-75sccm，充氧量为0-15sccm，溅射工作功率为1000-5000W；
(23)、采用共同溅射方式镀制中间折射率膜层的混合材料时，高折射率材料一侧沉积速率控制在0.05-0.65nm/s之间，充氩量为35-60sccm，充氧量为0-50sccm，溅射工作功率为100-6000W，低折射率材料一侧沉积速率控制在0.05-0.25nm/s之间，充氩量为45-75sccm，充氧量为0-15sccm，溅射工作功率为200-2000W；
(24)、等离子体辅助源的充氩量为10-30sccm，充氧量为10-30sccm，工作功率为600-1500W；
(25)、镀制全介质混合材料消偏分光膜过程中，工件盘的公转速率为150-245Rds/min。
进一步地，镀制全介质混合材料消偏分光膜过程中，采用光学、时间、速率、公转圈数方式控制每层薄膜厚度。
一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜，该全介质消偏分光棱镜是由上述的制备方法制备得到的。
本发明的原理在于：
本发明公开了一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜及其制备方法，其包含两个等腰直角棱镜31，32及胶合其中的全介质混合材料消偏分光膜2。入射光1在±5°范围内入射胶合后的棱镜，会被分为两束子光束出射，分别为透射光11和反射光12，两者光强比为50％:50％，每束出射子光束中s向与p向偏振光的光强差值在入射光光强的±3％以内。全介质混合材料消偏分光膜2由具有高、中、低三种折射率的膜材按照一定顺序依次交替镀制而成，其中，中间折射率膜材可能并不存在于现有种类的膜材中。本发明采用混合共溅射的方式突破膜材种类有限对折射率的限制，通过调整高、低折射率膜料的比例制备出具有不存在于自然界中的折射率的膜层材料，并使混合膜材的折射率接近理论设计所需。将混合膜材折射率带入全介质混合材料消偏分光膜膜系的基础结构中，通过计算机模拟计算获得相应膜系结构参数。在此基础上，根据入射、出射介质折射率和宽入射角度等条件进行深度优化，获得最终的全介质混合材料消偏分光膜膜系设计。
一种适用于宽角度入射的全介质消偏振分光棱镜，它包括两块棱镜以及胶合在棱镜之间的全介质混合材料消偏振分光膜；所述消偏振分光膜是通过干涉原理，由高、中、低三种不同折射率膜料依次交替组合而成的多层分光膜，所述高折射率膜层可以由Nb2O5、Ta2O5、TiO2中任意一种制成，所述低折射率膜料为SiO2，所述的中间折射率膜层根据膜系设计的不同需求由高、低折射率材料按照不同比例混合共同溅射制备而成。所述的全介质混合材料消偏分光薄膜的基础膜系结构为：G/x1(a1Lb1M c1H d1M)^m1/x2(a2H b2M c2L d2M)^m2/H/x3(a3M b3L c3M d3H)^m3/x4(a4M b4H c4M d4L)^m4/G，其中，H、L、M及G分别表示为高、低、中间折射率材料及基板，xi(i＝1-4)、ai(i＝1-4)、bi(i＝1-4)、ci(i＝1-4)、di(i＝1-4)、mi(i＝1-4)为膜系结构系数。xi、ai、bi、ci、di为0-3范围内任意数值，mi为0-8范围内整数，ai、bi、ci、di的单位为中心波长的四分之一光学厚度，光学厚度＝膜厚*折射率。所述的基础膜系结构中材料折射率nM需要满足如下条件：
ΔnGΔn2Δn4…Δn4k＝Δn1Δn3…Δn4k+1， (1)
其中，k为膜层系数，4k+1表示消偏分光膜总层数，ΔnG为基板G的偏振分离，Δn1表示第1层材料的偏振分离，Δn2表示第2层材料的偏振分离，Δn3表示第3层材料的偏振分离，Δn4表示第4层材料的偏振分离，Δn4k表示第4k层材料的偏振分离，Δn4k+1表示第4k+l层材料的偏振分离，Δn2Δn4…Δn4k为第2层至第4k层中偶数层材料的偏振分离的乘积，Δn1Δn3…Δn4k+1为第1层至第4k+1层中奇数层材料的偏振分离的乘积，本发明中k的取值范围为4-18。各层材料将是高、中、低折射率材料中的一种，材料的偏振分离Δnj(j代表不同材料H、L、M、G)定义为：
基板G折射率表示为nG、高折射率材料H的折射率表示为nH，低折射率材料L的折射率表示为nL，中间折射率材料M的折射率表示为nM。先根据基板、高低折射材料等条件确定总膜层数4k+1的取值范围。再根据基板折射率nG、膜层材料折射率nH和nL，通过公式(1)(2)确定理论中间折射率nM’的取值范围。然后通过混合共溅射中控制高、低折射率材料不同的沉积速率，以获得接近理论值nM’的混合膜层折射率nM。而后，通过计算机模拟计算，确定各系数xi、ai、bi、ci、di、mi，得到接近设计目标的全介质混合材料消偏分光膜的基础膜系结构。最后，为了匹配入射、出射介质折射率和入射角宽度等要求，在基础膜系上再进一步进行膜系深度优化，得到最终的膜系结构。本发明中高折射率膜层材料的折射率适用范围为2.05-2.58，低折射率膜层材料的折射率适用范围为1.45-1.50，中间折射率膜层材料折射率介于高、低折射率之间可调控，基板折射率适用范围1.43-1.55。
本发明的优点在于：
①突破材料折射率范围的限制，极大地增强了基板、入射角和工作波长以及膜层材料的可选择性，使本发明所述的消偏棱镜的应用场景更加广泛。
②本发明提供的全介质消偏振分光棱镜，在规整设计的基础上经过膜系结构的深度优化，相比当前全介质消偏振分光棱镜具有更好的入射角适应性，能在入射角±5°范围内，保证分光后的两子光束光强比为50％：50％，每束出射子光束光中s向与p向偏振光的光强差值在入射光光强的±3％以内。
③本发明提供的全介质混合材料消偏振分光棱镜，对比金属膜消偏振分光棱镜，任一方向入射获得的子光束强度比例更为一致，光能损耗更小，膜层更硬，牢固度更好。
附图说明
图1为本发明所提供的一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜的结构示意图，其中，1为入射光，2为全介质混合材料消偏分光膜，11为透射光，12为反射光，31为第一等腰直角棱镜，32为第二等腰直角棱镜；
图2为本发明所提供的一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光膜结构示意图，其中，2为全介质混合材料消偏分光膜，31为第一等腰直角棱镜，32为第二等腰直角棱镜；
图3为实施例1所提供的一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜透射子光束的理论透射光谱；
图4为实施例1所提供的一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜反射子光束的理论反射光谱；
图5为实施例1所提供的一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜透射子光束的实测透射光谱；
图6为实施例1所提供的一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜反射子光束的实测反射光谱；
图7为实施例2所提供的一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜透射子光束的理论透射光谱；
图8为实施例2所提供的一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜反射子光束的理论反射光谱；
图9为实施例3所提供的一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜透射子光束的理论透射光谱；
图10为实施例3所提供的一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜反射子光束的理论反射光谱；
图11为实施例4所提供的一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜透射子光束的理论透射光谱；
图12为实施例4所提供的一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜反射子光束的理论反射光谱。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示为本发明提供的一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜，其包括第一等腰直角棱镜31和第二等腰直角棱镜32以及胶合在两棱镜之间的全介质混合材料消偏分光膜2；所述全介质混合材料消偏分光膜2是由高、中、低三种具有不同折射率的介质膜层材料按照一定顺序交替镀制而成的多层分光膜，如图2所示。高折射率膜层可以由Nb2O5、Ta2O5、TiO2中任意一种制成，低折射率膜料为SiO2，中间折射率膜层根据不同需求由高、低折射率材料按照不同比例混合共同溅射制备而成。
全介质混合材料消偏分光膜的膜系结构具体设计过程为：
首先根据基板材料和选定的高低折射率膜层材料的折射率差异，预估总层数4k+1，对于分光后的两子光束光强比为50％:50％的情况，k的取值范围为4-18，预估的总膜层数可以是一数值集合。根据公式(1)和公式(2)，可以得到总膜层数量所对应的混合材料的理论折射率nM’，相应的nM’也是一个数值集合。再剔除大于nH、小于nL的nM’，而后根据每个nM’所对应的混合材料的制备难易和稳定性，选取折射率与之接近的中间折射率一个或者几个nM。然后将nM带入基础膜系结构G/x1(a1L b1M c1H d1M)^m1/x2(a2H b2M c2L d2M)^m2/H/x3(a3M b3L c3M d3H)^m3/x4(a4M b4H c4M d4L)^m4/G中，通过计算机计算模拟，得到xi(i＝1-4)、ai(i＝1-4)、bi(i＝1-4)、ci(i＝1-4)、di(i＝1-4)、mi(i＝1-4)等膜系结构系数，并从中筛选出贴近设计要求的较优结果，其中，G表示基板，H、L、M分别表示为高、低、中间折射率材料膜层。xi、ai、bi、ci、di为0-3范围内任意数值，ai、bi、ci、di单位为中心波长的四分之一光学厚度(光学厚度＝膜厚*折射率)；mi为0-8范围内整数。最后，为了进一步匹配入射、出射介质折射率和入射角范围，再次对基础膜系结构进行深度优化，最终得到全介质混合材料消偏分光膜的膜系结构。
本发明的具体制备步骤如下：
步骤(1)、根据基板和高、低折射率材料折射率等条件，确定全介质混合材料消偏分光薄膜总膜层数的取值范围；
步骤(2)、根据公式(1)、公式(2)确定中间折射率材料的取值范围；
步骤(3)、共同溅射高、低折射率材料，通过调整沉积速率，得到性能稳定的中间折射率膜层及实现此混合膜层的工艺参数；
步骤(4)、根据基板材料和高、中、低折射率膜层材料特性，完成全介质混合材料消偏分光膜的基础膜系设计和深度优化，获得最终的膜系结构；
步骤(5)、准备基板材料，对基板进行镀膜前清洗后，装入镀膜机工作腔体；
步骤(6)、对工作腔体进行抽气，使腔内获得真空，镀膜前本底气压低于5*10-3Pa，而后对基板进行加热烘烤，烘烤温度100-150℃，烘烤时长5-30分钟；
步骤(7)、使用射频离子源对基板表面进行轰击2-5分钟；
步骤(8)、使用离子束辅助反应磁控溅射的方式在步骤(7)的基础上按照步骤(3)中混合材料比例及工艺参数和步骤(4)中的膜系结构，从棱镜基板表面开始依次交替镀制膜层；
步骤(9)、将镀好全介质混合材料消偏分光膜的等腰直角棱镜进行胶合。
步骤(8)镀制全介质混合材料消偏分光膜的过程中，工艺实现条件如下：
镀制高折射率膜层材料时，沉积速率控制在0.4-0.65nm/s之间，充氩量为35-60sccm，充氧量为45-50sccm，溅射工作功率为3000-6000W；镀制低折射率膜层材料时，沉积速率控制在0.05-0.45nm/s之间，充氩量为45-75sccm，充氧量为0-15sccm，溅射工作功率为1000-5000W；采用共同溅射方式镀制中间折射率膜层的混合材料时，高折射率材料一侧沉积速率控制在0.05-0.65nm/s之间，充氩量为35-60sccm，充氧量为0-50sccm，溅射工作功率为100-6000W，低折射率材料一侧沉积速率控制在0.05-0.25nm/s之间，充氩量为45-75sccm，充氧量为0-15sccm，溅射工作功率为200-2000W；
辅助离子源充氩量为10-30sccm，充氧量为10-30sccm，溅射工作功率为600-1500W；工件盘的公转速率保持在150-245Rds/min之间；采用光学、时间、速率、公转圈数等方式控制每层薄膜厚度。
下面通过实施例对本发明技术方案作进一步说明，但是本发明并不局限于此。对于离子束溅射、电子束蒸镀、原子层沉积等物理气相沉积真空镀膜工艺而言，与磁控溅射工艺下的薄膜结构设计方法相同，其物理气相沉积工艺下的混合材料在真空环境中传输、沉积形成薄膜原理与磁控溅射镀膜方式相同。因此，在离子束溅射、电子束蒸镀、原子层沉积等物理气相沉积真空镀膜方式中，使用本发明所述方法完成相应分光比例的消偏分光膜设计和消偏分光镜制备也同属于本专利的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，但这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
实施例1：
一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜，该棱镜由第一等腰直角棱镜31和第二等腰直角棱镜32，以及两棱镜之间的全介质混合材料消偏分光膜2组成；所述全介质混合材料消偏振分光膜2镀制在第一等腰直角棱镜31斜边面上，第二等腰直角棱镜32与全介质混合材料消偏分光膜2由紫外固化胶连接。
首先确定基板为石英材料，选取Nb2O5和SiO2分别作为高、低折射率膜层材料。k取11-13，总膜层数为45-53，根据公式(1)和公式(2)，可以得到总膜层数量所对应的混合材料的理论折射率nM1’分别为1.691、1.695、1.699。根据混合共溅射的制备难易程度与稳定性，选取混合共溅射制备的中间折射率膜层折射率nM1为1.695，带入基础膜系结构G/x1(a1L b1Mc1H d1M)^m1/x2(a2H b2M c2L d2M)^m2/H/x3(a3M b3L c3M d3H)^m3/x4(a4M b4H c4M d4L)^m4/G中，通过计算机模拟计算，得到膜层结构系数x1＝1.0871、x2＝0.6748、x3＝0、x4＝1.1358，a1＝1.4670、a2＝1.0582、a3＝0、a4＝0.7344，b1＝1.1650、b2＝0、b3＝0、b4＝1.0644，c1＝0.3912、c2＝0.7016、c3＝0、c4＝0.7858，d1＝1.2605、d2＝0、d3＝0、d4＝0.9265，m1＝4、m2＝8、m3＝0、m4＝4；其中，G表示基板，H、L、M分别表示为高、低、中间折射率材料膜层；中心波长为650nm。深度优化膜系结构以匹配入射、出射介质折射率和入射角宽度，得到40层全介质混合材料消偏分光膜结构从基板开始依次为：
第1层，M1混合材料层，膜厚为139.01nm；第2层，Nb2O5材料层，膜厚为143.55nm；第3层，M1混合材料层，膜厚为239.81nm；第4层，SiO2材料层，膜厚为82.52nm；第5层，Nb2O5材料层，膜厚为119.16nm；第6层，SiO2材料层，膜厚为82.11nm；第7层，M1混合材料层，膜厚为105.86nm；第8层，Nb2O5材料层，膜厚为62.35nm；第9层，M1混合材料层，膜厚为98.21nm；第10层，SiO2材料层，膜厚为119.92nm；第11层，M1混合材料层，膜厚为90.05nm；第12层，Nb2O5材料层，膜厚为60.57nm；第13层，M1混合材料层，膜厚为93.32nm；第14层，Nb2O5材料层，膜厚为45.93nm；第15层，SiO2材料层，膜厚为82.58nm；第16层，Nb2O5材料层，膜厚为29.77nm；第17层，SiO2材料层，膜厚为77.15nm；第18层，Nb2O5材料层，膜厚为41.74nm；第19层，M1混合材料层，膜厚为91.06nm；第20层，Nb2O5材料层，膜厚为58.84nm；第21层，M1混合材料层，膜厚为90.34nm；第22层，Nb2O5材料层，膜厚为58.90nm；第23层，M1混合材料层，膜厚为83.34nm；第24层，Nb2O5材料层，膜厚为41.99nm；第25层，SiO2材料层，膜厚为75.21nm；第26层，Nb2O5材料层，膜厚为40.06nm；第27层，SiO2材料层，膜厚为85.45nm；第28层，Nb2O5材料层，膜厚为47.04nm；第29层，M1混合材料层，膜厚为88.47nm；第30层，Nb2O5材料层，膜厚为60.14nm；第31层，M1混合材料层，膜厚为142.90nm；第32层，SiO2材料层，膜厚为101.73nm；第33层，M1混合材料层，膜厚为133.85nm；第34层，Nb2O5材料层，膜厚为81.53nm；第35层，M1混合材料层，膜厚为49.50nm；第36层，SiO2材料层，膜厚为124.62nm；第37层，M1混合材料层，膜厚为320.80nm；第38层，SiO2材料层，膜厚为162.26nm；第39层，M1混合材料层，膜厚为350.76nm；第40层，SiO2材料层，膜厚为479.16nm。
所述M1混合材料为Nb2O5/SiO2混合共溅射材料膜层，其中Nb2O5的含量由镀膜参数控制在24％～26％之间。
所述的玻璃基板为康宁7980石英。
图3至图6为实施例1的全介质混合材料消偏分光棱镜的透射、反射理论与实测光谱。从图3、4中可以看出，本发明提供的全介质混合材料消偏分光棱镜从理论设计上可以将532nm波长的入射光分为两子光束出射，两子光束的光强比为50％:50％，每束出射子光束中s向与p向偏振光的光强差值在入射光光强的±3％以内，且在±5°的宽角度入射棱镜的情况下保证上述分光百分比和差值。从图5和图6的实测曲线上可以看出，采用混合共溅射的方式制备的全介质混合材料消偏分光膜能很好地实现上述分光要求，并适用于±5°的宽角度入射。
实施例2：
一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜，该棱镜由第一等腰直角棱镜31和第二等腰直角棱镜32，以及两棱镜之间的全介质混合材料消偏分光膜2组成；所述全介质混合材料消偏振分光膜2镀制在第一等腰直角棱镜31斜边面上，第二等腰直角棱镜32与全介质混合材料消偏分光膜2由紫外固化胶连接。
首先确定基板为K9L玻璃材料，选取Nb2O5和SiO2作为高、低折射率膜层材料。k取8-12，总膜层数为33-49，根据公式(1)和公式(2)，可以得到总膜层数量所对应的混合材料的理论折射率nM2’取值范围为1.675-1.695。根据混合共溅射的制备难易程度与稳定性，选取混合共溅射制备的中间折射率膜层折射率nM2为1.697，带入基础膜系结构G/x1(a1Lb1M c1Hd1M)^m1/x2(a2H b2M c2L d2M)^m2/H/x3(a3M b3L c3M d3H)^m3/x4(a4M b4H c4M d4L)^m4/G中，通过计算机模拟计算，得到膜层结构厚度系数x1＝0.9529、x2＝0.4692、x3＝0、x4＝0.9875，a1＝1.0472、a2＝0、a3＝0、a4＝0.5698，b1＝1.0682、b2＝0、b3＝0、b4＝1.6668，c1＝1.2267、c2＝0.2110、c3＝0、c4＝0.9570，d1＝1.0356、d2＝0.9183、d3＝0、d4＝0.4739，m1＝7、m2＝2、m3＝0、m4＝2其中，G表示基板，H、L、M分别表示为高、低、中间折射率材料膜层；中心波长为650nm。深度优化膜系结构以匹配入射、出射介质折射率和入射角宽度，得到47层全介质混合材料消偏分光膜结构从基板开始依次为：
第1层，Nb2O5材料层，膜厚为17.27nm；第2层，SiO2材料层，膜厚为219.98nm；第3层，M2混合材料层，膜厚为73.78nm；第4层，Nb2O5材料层，膜厚为66.80nm；第5层，M2混合材料层，膜厚为85.20nm；第6层，SiO2材料层，膜厚为72.25nm；第7层，Nb2O5材料层，膜厚为9.66nm；第8层，SiO2材料层，膜厚为201.47nm；第9层，Nb2O5材料层，膜厚为138.18nm；第10层，M2混合材料层，膜厚为70.80nm；第11层，Nb2O5材料层，膜厚为41.77nm；第12层，SiO2材料层，膜厚为35.75nm；第13层，Nb2O5材料层，膜厚为30.07nm；第14层，M2混合材料层，膜厚为87.44nm；第15层，Nb2O5材料层，膜厚为65.69nm；第16层，M2混合材料层，膜厚为92.89nm；第17层，SiO2材料层，膜厚为113.94nm；第18层，M2混合材料层，膜厚为99.30nm；第19层，Nb2O5材料层，膜厚为66.34nm；第20层，M2混合材料层，膜厚为91.08nm；第21层，Nb2O5材料层，膜厚为34.41nm；第22层，SiO2材料层，膜厚为44.58nm；第23层，Nb2O5材料层，膜厚为23.59nm；第24层，M2混合材料层，膜厚为86.79nm；第25层，Nb2O5材料层，膜厚为55.54nm；第26层，M2混合材料层，膜厚为83.14nm；第27层，Nb2O5材料层，膜厚为32.84nm；第28层，SiO2材料层，膜厚为73.61nm；第29层，Nb2O5材料层，膜厚为34.78nm；第30层，M2混合材料层，膜厚为83.10nm；第31层，Nb2O5材料层，膜厚为56.76nm；第32层，M2混合材料层，膜厚为82.09nm；第33层，Nb2O5材料层，膜厚为24.46nm；第34层，SiO2材料层，膜厚为46.89nm；第35层，Nb2O5材料层，膜厚为32.76nm；第36层，M2混合材料层，膜厚为94.72nm；第37层，Nb2O5材料层，膜厚为72.17nm；第38层，M2混合材料层，膜厚为93.10nm；第39层，SiO2材料层，膜厚为98.55nm；第40层，M2混合材料层，膜厚为92.16nm；第41层，Nb2O5材料层，膜厚为128.54nm；第42层，M2混合材料层，膜厚为51.96nm；第43层，SiO2材料层，膜厚为131.70nm；第44层，Nb2O5材料层，膜厚为141.37nm；第45层，M2混合材料层，膜厚为115.20nm；第46层，Nb2O5材料层，膜厚为8.12nm；第47层，SiO2材料层，膜厚为378.12nm。
所述M2混合材料为Nb2O5/SiO2混合共溅射材料膜层，其中Nb2O5的含量由镀膜参数控制在24％～26％之间。
所述的玻璃基板为成都光明的K9L玻璃基板。
图7和图8为实施例2的全介质混合材料消偏分光棱镜的透射、反射理论光谱。从图7和图8中可以看出，本发明提供的全介质混合材料消偏分光棱镜可以将532nm波长的入射光分为两子光束出射，两子光束的光强比为50％:50％，每束出射子光束中s向与p向偏振光的光强差值在入射光光强的±3％以内，且在±5°的宽角度入射棱镜的情况下保证上述分光百分比和差值。
实施例3：
一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜，该棱镜由第一等腰直角棱镜31和第二等腰直角棱镜32，以及两棱镜之间的全介质混合材料消偏分光膜2组成；所述全介质混合材料消偏振分光膜2镀制在第一等腰直角棱镜31斜边面上，第二等腰直角棱镜32与全介质混合材料消偏分光膜2由紫外固化胶连接。
首先确定基板为石英材料，选取Ta2O5和SiO2作为高、低折射率膜层材料。k取7-16，总膜层数为29-69，根据公式(1)和公式(2)，可以得到总膜层数量所对应的混合材料的理论折射率nM3’取值范围有1.615-1.651。根据混合共溅射的制备难易程度与稳定性，选取混合共溅射制备的中间折射率膜层折射率nM3为1.633，带入基础膜系结构G/x1(a1L b1M c1Hd1M)^m1/x2(a2H b2M c2L d2M)^m2/H/x3(a3M b3L c3M d3H)^m3/x4(a4M b4H c4M d4L)^m4/G中，通过计算机模拟计算，得到膜层结构厚度系数x1＝0.93245、x2＝1.0661、x3＝0.5882、x4＝0，a1＝1.2051、a2＝1.0947、a3＝0.0815、a4＝0，b1＝0.8866、b2＝0.7120、b3＝0、b4＝0，c1＝1.3461、c2＝1.0444、c3＝1.1260、c4＝0，d1＝0.9446、d2＝0.7177、d3＝0.3294、d4＝0，m1＝6、m2＝7、m3＝1、m4＝0，其中，G表示基板，H、L、M分别表示为高、低、中间折射率材料膜层；中心波长为1350nm。深度优化膜系结构以匹配入射、出射介质折射率和入射角宽度，得到65层全介质混合材料消偏分光膜结构从基板开始依次为：
第1层，Ta2O5材料层，膜厚为207.32nm；第2层，M3混合材料层，膜厚为127.33nm；第3层，Ta2O5材料层，膜厚为32.49nm；第4层，M3混合材料层，膜厚为333.97nm；第5层，SiO2材料层，膜厚为119.45nm；第6层，M3混合材料层，膜厚为116.91nm；第7层，Ta2O5材料层，膜厚为203.54nm；第8层，M3混合材料层，膜厚为207.21nm；第9层，Ta2O5材料层，膜厚为142.84nm；第10层，M3混合材料层，膜厚为220.93nm；第11层，Ta2O5材料层，膜厚为148.16nm；第12层，M3混合材料层，膜厚为129.09nm；第13层，SiO2材料层，膜厚为244.74nm；第14层，Ta2O5材料层，膜厚为233.11nm；第15层，M3混合材料层，膜厚为190.51nm；第16层，Ta2O5材料层，膜厚为162.72nm；第17层，M3混合材料层，膜厚为206.68nm；第18层，Ta2O5材料层，膜厚为149.86nm；第19层，M3混合材料层，膜厚为83.90nm；第20层，SiO2材料层，膜厚为210.81nm；第21层，Ta2O5材料层，膜厚为426.10nm；第22层，M3混合材料层，膜厚为81.39nm；第23层，SiO2材料层，膜厚为249.86nm；第24层，M3混合材料层，膜厚为109.07nm；第25层，Ta2O5材料层，膜厚为229.02nm；第26层，M3混合材料层，膜厚为147.35nm；第27层，Ta2O5材料层，膜厚为166.52nm；第28层，M3混合材料层，膜厚为193.61nm；第29层，Ta2O5材料层，膜厚为151.00nm；第30层，M3混合材料层，膜厚为190.61nm；第31层，Ta2O5材料层，膜厚为97.86nm；第32层，SiO2材料层，膜厚为131.74nm；第33层，M3混合材料层，膜厚为108.67nm；第34层，Ta2O5材料层，膜厚为59.10nm；第35层，SiO2材料层，膜厚为187.67nm；第36层，Ta2O5材料层，膜厚为72.07nm；第37层，M3混合材料层，膜厚为127.35nm；第38层，SiO2材料层，膜厚为113.84nm；第39层，Ta2O5材料层，膜厚为116.59nm；第40层，M3混合材料层，膜厚为194.51nm；第41层，Ta2O5材料层，膜厚为146.26nm；第42层，M3混合材料层，膜厚为194.86nm；第43层，Ta2O5材料层，膜厚为147.62nm；第44层，M3混合材料层，膜厚为196.99nm；第45层，Ta2O5材料层，膜厚为99.19nm；第46层，SiO2材料层，膜厚为119.11nm；第47层，M3混合材料层，膜厚为135.05nm；第48层，Ta2O5材料层，膜厚为76.95nm；第49层，SiO2材料层，膜厚为162.76nm；第50层，Ta2O5材料层，膜厚为76.74nm；第51层，M3混合材料层，膜厚为108.89nm；第52层，SiO2材料层，膜厚为126.70nm；第53层，Ta2O5材料层，膜厚为113.86nm；第54层，M3混合材料层，膜厚为193.81nm；第55层，Ta2O5材料层，膜厚为147.98nm；第56层，M3混合材料层，膜厚为192.05nm；第57层，Ta2O5材料层，膜厚为105.08nm；第58层，SiO2材料层，膜厚为113.74nm；第59层，M3混合材料层，膜厚为196.46nm；第60层，Ta2O5材料层，膜厚为31.48nm；第61层，SiO2材料层，膜厚为163.19nm；第62层，Ta2O5材料层，膜厚为57.93nm；第63层，M3混合材料层，膜厚为206.48nm；第64层，SiO2材料层，膜厚为101.46nm；第65层，Ta2O5材料层，膜厚为75.44nm。
所述M3混合材料为Ta2O5/SiO2混合共溅射材料膜层，其中Ta2O5的含量由镀膜参数控制在25％～27％之间。
所述的玻璃基板为康宁7980石英。
图9和图10为实施例3的全介质混合材料消偏分光棱镜的透射、反射理论光谱。从图9和图10中可以看出，本发明提供的全介质混合材料消偏分光棱镜可以将1064nm波长的入射光分为两子光束出射，两子光束的光强比为50％:50％，每束出射子光束中s向与p向偏振光的光强差值在入射光光强的±3％以内，且在±5°的宽角度入射棱镜的情况下保证上述分光百分比和差值。
实施例4：
一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜，该棱镜由第一等腰直角棱镜31和第二等腰直角棱镜32，以及两棱镜之间的全介质混合材料消偏分光膜2组成；所述全介质混合材料消偏振分光膜3镀制在第一等腰直角棱镜31斜边面上，第二等腰直角棱镜32与全介质混合材料消偏分光膜2由紫外固化胶连接。
首先确定基板为石英材料，选取TiO2和SiO2作为高、低折射率膜层材料。k取8-15，总膜层数为33-61，根据公式(1)和公式(2)，可以得到总膜层数量所对应的混合材料的理论折射率nM4’取值范围有1.622-1.649。根据混合共溅射的制备难易程度与稳定性，选取混合共溅射制备的中间折射率膜层折射率nM4为1.625，带入基础膜系结构G/x1(a1L b1M c1Hd1M)^m1/x2(a2H b2M c2L d2M)^m2/H/x3(a3M b3L c3M d3H)^m3/x4(a4M b4H c4M d4L)^m4/G中，通过计算机模拟计算，得到膜层结构厚度系数x1＝1.3428、x2＝0.4007、x3＝0.3509、x4＝1.2973，a1＝0.7969、a2＝1.3693、a3＝0.1607、a4＝0.5634，b1＝0.6174、b2＝0.0919、b3＝1.2969、b4＝1.1692，c1＝0.8704、c2＝0.8151、c3＝0、c4＝0.50143，d1＝0.5934、d2＝0、d3＝1.7979、d4＝0.9957，m1＝6、m2＝1、m3＝1、m4＝5，其中，G表示基板，H、L、M分别表示为高、低、中间折射率材料膜层；中心波长为1350nm。深度优化膜系结构以匹配入射、出射介质折射率和入射角宽度，得到43层全介质混合材料消偏分光膜结构从基板开始依次为：
第1层，TiO2材料层，膜厚为200.58nm；第2层，M4混合材料层，膜厚为251.79nm；第3层，SiO2材料层，膜厚为226.09nm；第4层，TiO2材料层，膜厚为53.34nm；第5层，M4混合材料层，膜厚为84.30nm；第6层，TiO2材料层，膜厚为201.08nm；第7层，SiO2材料层，膜厚为256.77nm；第8层，TiO2材料层，膜厚为228.16nm；第9层，M4混合材料层，膜厚为217.01nm；第10层，SiO2材料层，膜厚为215.35nm；第11层，TiO2材料层，膜厚为288.48nm；第12层，M4混合材料层，膜厚为235.53nm；第13层，SiO2材料层，膜厚为250.72nm；第14层，M4混合材料层，膜厚为209.71nm；第15层，TiO2材料层，膜厚为136.15nm；第16层，M4混合材料层，膜厚为206.74nm；第17层，TiO2材料层，膜厚为122.71nm；第18层，SiO2材料层，膜厚为36.20nm；第19层，M3混合材料层，膜厚为179.49nm；第20层，TiO2材料层，膜厚为93.67nm；第21层，SiO2材料层，膜厚为178.19nm；第22层，TiO2材料层，膜厚为72.32nm；第23层，SiO2材料层，膜厚为171.06nm；第24层，TiO2材料层，膜厚为82.45nm；第25层，M4混合材料层，膜厚为196.55nm；第26层，TiO2材料层，膜厚为128.75nm；第27层，M4混合材料层，膜厚为201.28nm；第28层，TiO2材料层，膜厚为141.06nm；第29层，M4混合材料层，膜厚为206.05nm；第30层，TiO2材料层，膜厚为186.44nm；第31层，M4混合材料层，膜厚为241.09nm；第32层，TiO2材料层，膜厚为218.22nm；第33层，SiO2材料层，膜厚为222.74nm；第34层，M4混合材料层，膜厚为87.27nm；第35层，TiO2材料层，膜厚为160.20nm；第36层，M4混合材料层，膜厚为230.92nm；第37层，TiO2材料层，膜厚为120.62nm；第38层，SiO2材料层，膜厚为150.08nm；第39层，M4混合材料层，膜厚为154.86nm；第40层，TiO2混合材料层，膜厚为267.98nm；第41层，SiO2材料层，膜厚为308.87nm；第42层，M4混合材料层，膜厚为257.99nm；第43层，TiO2材料层，膜厚为134.70nm。
所述M4混合材料为TiO2/SiO2混合共溅射材料膜层，其中TiO2的含量由镀膜参数控制在20％～22％之间。
所述的玻璃基板为康宁7980石英。
图11和图12为实施例4的全介质混合材料消偏分光棱镜的透射、反射理论光谱。从图11和图12中可以看出，本发明提供的全介质混合材料消偏分光棱镜可以将1064nm波长的入射光分两子光束出射，两子光束的光强比为50％:50％，出射子光束中s向与p向偏振光的光强差值在入射光光强的±3％以内，且在±5°的宽角度入射棱镜的情况下保证上述分光百分比和差值。
Claims (7)
1.一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤(1)、所述棱镜由两个等角直角棱镜及胶合其中的全介质混合材料消偏分光膜组成；
步骤(2)、所述全介质混合材料消偏分光膜由高、中、低三种折射率膜材按照一定顺序交替镀制而成，而中间折射率材料根据膜系设计所需折射率由高、低折射率材料按比例混合共同溅射而成；
步骤(3)、所述全介质混合材料消偏分光膜的中间折射率理论值由公式(1)和(2)确定：
ΔnGΔn2Δn4…Δn4k＝Δn1Δn3…Δn4k+1， (1)
其中，k为膜层系数，4k+1表示消偏分光膜总层数，ΔnG表示基板G的偏振分离，Δn1表示第1层材料的偏振分离，Δn2表示第2层材料的偏振分离，Δn3表示第3层材料的偏振分离，Δn4表示第4层材料的偏振分离，Δn4k表示第4k层材料的偏振分离，Δn4k+1表示第4k+1层材料的偏振分离，Δn2Δn4…Δn4k为第2层至第4k层中偶数层材料的偏振分离的乘积，Δn1Δn3…Δn4k+1为第1层至第4k+1层中奇数层材料的偏振分离的乘积，k的取值范围为4-18，各层材料将是高、中、低折射率材料中的一种。材料的偏振分离Δnj，j代表不同材料H、L、M、G，定义为：
基板G折射率表示为nG、高折射率材料H的折射率表示为nH，低折射率材料L的折射率表示为nL，中间折射率材料M的折射率表示为nM；
步骤(4)、所述全介质混合材料消偏分光膜的基础膜系结构为：
G/x1(a1L b1M c1H d1M)^m1/x2(a2H b2M c2L d2M)^m2/H/x3(a3M b3L c3M d3H)^m3/x4(a4Mb4Hc4M d4L)^m4/G，
其中，H、L、M及G分别表示为高、低、中间折射率材料及基板，xi(i＝1-4)、ai(i＝1-4)、bi(i＝1-4)、ci(i＝1-4)、di(i＝1-4)、mi(i＝1-4)为膜系结构系数，xi、ai、bi、ci、di为0-3范围内任意数值，mi为0-8范围内整数，ai、bi、ci、di的单位为中心波长的四分之一光学厚度，光学厚度＝膜厚*折射率，通过计算机模拟计算得到接近设计目标的膜系结构系数；
步骤(5)、所述全介质混合材料消偏分光膜在得到接近目标的基础膜系结构后，根据入射、出射介质折射率和入射角宽度匹配信息，用计算机进一步深度优化膜系理论结构，得到最终的膜系结构。
2.根据权利要求1所述的适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜的制备方法，其特征在于：所述高折射率膜层可以由Nb2O5、Ta2O5、TiO2中任意一种制成，折射率适用范围为2.05-2.58；所述低折射率膜料为SiO2，折射率适用范围为1.45-1.50；所述的中间折射率膜层根据膜系设计不同需求由高、低折射率材料按照不同比例混合共同溅射制备而成，其折射率介于高、低折射率之间。
3.根据权利要求1所述的适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜的制备方法，其特征在于：所述的等腰直角棱镜材料可为K9L或者B270或者BK7或者JGS1或者7980等牌号玻璃，基板折射率适用范围1.43-1.55。
4.根据权利要求1-3任一项所述的适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜的制备方法，其特征在于，实现步骤如下：
步骤(11)、根据基板和膜层高、低折射率材料，确定全介质混合材料消偏分光膜总层数取值范围；
步骤(12)、根据公式(1)、公式(2)确定中间折射率材料的取值范围；
步骤(13)、共同溅射高、低折射率材料，通过调整沉积速率，得到性能稳定的中间折射率膜层及实现此混合膜层的工艺参数；
步骤(14)、根据基板材料和高、中、低折射率膜层材料特性，完成全介质混合材料消偏分光膜的基础膜系设计和深度优化，获得最终的膜系结构；
步骤(15)、准备基板材料，对基板进行镀膜前清洗后，装入镀膜机工作腔体；
步骤(16)、对工作腔体进行抽气，使腔内获得真空，镀膜前本底气压低于5*10-3Pa，而后对基板进行加热烘烤，烘烤温度100-150℃，烘烤时长5-30分钟；
步骤(17)、使用射频离子源对基板表面进行轰击2-5分钟；
步骤(18)、使用离子束辅助反应磁控溅射的方式在步骤(17)的基础上，采用步骤(13)中混合材料比例及工艺参数，按照步骤(14)中的膜系结构，从棱镜基板表面开始依次交替镀制膜层；
步骤(19)、将镀好全介质混合材料消偏分光膜的等腰直角棱镜进行胶合。
5.根据权利要求4所述的适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜的制备方法，其特征在于，实现工艺条件如下：
(21)、镀制全介质混合材料消偏分光膜的过程中，镀制高折射率膜层材料时，沉积速率控制在0.4-0.65nm/s之间，充氩量为35-60sccm，充氧量为45-50sccm，溅射工作功率为3000-6000W；
(22)、镀制低折射率膜层材料时，沉积速率控制在0.05-0.45nm/s之间，充氩量为45-75sccm，充氧量为0-15sccm，溅射工作功率为1000-5000W；
(23)、采用共同溅射方式镀制中间折射率膜层的混合材料时，高折射率材料一侧沉积速率控制在0.05-0.65nm/s之间，充氩量为35-60sccm，充氧量为0-50sccm，溅射工作功率为100-6000W，低折射率材料一侧沉积速率控制在0.05-0.25nm/s之间，充氩量为45-75sccm，充氧量为0-15sccm，溅射工作功率为200-2000W；
(24)、等离子体辅助源的充氩量为10-30sccm，充氧量为10-30sccm，工作功率为600-1500W；
(25)、镀制全介质混合材料消偏分光膜过程中，工件盘的公转速率为150-245Rds/min。
6.根据权利要求4所述的适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜的制备方法，其特征在于：镀制全介质混合材料消偏分光膜过程中，采用光学、时间、速率、公转圈数方式控制每层薄膜厚度。
7.一种适用于宽角度入射的全介质消偏分光棱镜，其特征在于：该全介质消偏分光棱镜是由权利要求1-6任一项所述的制备方法制备得到的。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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