CN1182217A - 使用双折射薄膜的多层膜起偏分束片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多层膜光学起偏分束装置,其特征是由双折射薄膜迭合组成,且膜层光轴只沿两个方向交替取向,或由双折射薄膜与各向同性薄膜交替迭合组成,且双折射膜层的光轴只沿一个方向取向。其能使入射光束中的两个偏振分量一个有效透射,一个有效反射。该装置呈薄片外形,具有高消光比、高透射比、大通光孔径、大光束分离角、强抗光损伤能力、较大的视场角以及足够大的工作带宽,是一种用途广泛的基础性光学器件。

Description

使用双折射薄膜的多层膜起偏分束片

本发明涉及一种光学起偏分束装置，尤其是使用双折射薄膜的多层膜起偏分束片。

光学起偏分束装置是一种使光束分解成偏振方向相互垂直的两个线偏振分量、并在空间分离传播的装置，在光学技术领域是一种被广泛使用的基础性光学器件。

现有的光学起偏分束装置有起偏分束棱镜、金属线栅、非正入射起偏器、薄膜干涉偏振片、迭片起偏分束器和在一侧涂覆有双折射介质的布喇格反射器。可参阅中文书籍《光学手册》，李景镇主编，陕西科学技术出版社，1986年5月第1版，第526-562、677-678页；英文期刊《Applied Optics》，1994年，第33卷，第30期，第6925-6934页以及英文期刊《IEEE Journalof Quantum Electronics》，1996年，第32卷，第3期，第518-518页。

起偏分束棱镜的消光比、透射比性能好，且有较强的抗光损伤能力，但因是立体块状结构，当要求通光孔径大时，器件的体积、重量很大，价格也很昂贵，另外其视场角一般也不够大；金属线栅的消光比、透射比、抗光损伤能力和视场角性能都很好，且具有薄片状外形，但要求入射光波长远大于线栅的间隔，由于目前无法将栅间隔制作得足够的小，故其只能用于远红外波段；非正入射类起偏器本身虽然具有片状外形，消光比、透射比、抗光损伤性能也很好，但却要求光束倾斜入射，这就使其片状外形的优点不能真正被利用，例如因需要倾斜安装而仍会多占光路空间，故其几乎仍等效是一立体块状器件，且其视场角也不够大；现有的薄膜干涉偏振片实际上是非正入射类起偏器的改进，只是通过光学干涉增强起偏振效果，以减少所需板片的数目，故其也需要光束倾斜入射，并也有和非正入射类起偏器大致相同的不足之处；迭片起偏分束器也具有薄片状外形，其消光比、透射比、抗光损伤性能也很好，但其也要求光束倾斜入射，另其膜层数目一般要求多达几百层，这即使制作过程相当复杂，又使膜系的质量难于保证，还使造价十分地昂贵；最后，一侧涂覆有双折射介质的布喇格反射器的缺点是其消光比不高，不能作为实际的起偏分束器使用。

本发明的目的是提供一种起偏分束装置，其外形为薄片状，具有高消光比、高透射比、大通光孔径、大光束分离角、强抗光损伤能力、较大的视场角以及足够大的工作带宽。

本发明的目的是这样实现的：由双折射介质薄膜组成多层膜迭合片，片内各膜层的光轴只沿两个方向按膜层顺序交替重复取向，一个方向垂直于迭合片平面，另一个方向平行于迭合片平面。

或者由双折射介质薄膜与各向同性介质薄膜交替重复迭合组成多层膜迭合片，片内各双折射介质膜层的光轴只沿一个平行于迭合片平面的方向取向。

对于所述由双折射介质薄膜组成的多层膜迭合片，片内各膜层的厚度依据制作折射率为n_o和n_e两种膜料的多层介质高反射镜或多层介质宽带高反射镜的现有技术要求(例如可参阅中文书籍《光学手册》，李景镇主编，陕西科学技术出版社，1986年5月第1版，第651-663页)而选取，n_o与n_e分别为双折射薄膜对于寻常光偏振分量与非寻常光偏振分量的主折射率。

对于所述由双折射介质薄膜和各向同性介质薄膜复合组成的多层膜迭合片，片内各膜层的厚度，依据制作折射率为n_i和n_e两种膜料的多层介质高反射镜或多层介质宽带高反射镜的现有技术要求而选取，n_i为各向同性介质膜层的折射率，n_e为双折射介质膜层对于非寻常光偏振分量的主折射率。

对于所述由双折射介质薄膜组成的多层膜迭合片，当使用两种或两种以上材料的薄膜时，各膜层对于寻常光偏振分量的主折射率值n_o应相同或近似相同。

对于所述由双折射介质薄膜和各向同性介质薄膜复合组成的多层膜迭合片，当使用三种或三种以上材料的薄膜时，各层各向同性介质膜层的折射率值n_i与各层双折射介质膜层的对于寻常光偏振分量的主折射率值n_o应相同或近似相同。

上所述多层膜迭合片可以制作在一透明的平板片基上，以加强器件的机械强度。还可以在上所述多层膜迭合片的表面再制作附加的增透膜(可参阅中文书籍《光学手册》，李景镇主编，陕西科学技术出版社，1986年5月第1版，第639-651页)，以使透射偏振分量更好地透过。

各向同性介质薄膜的制作与迭合已是相当成熟的技术，具有光学双折射性质的薄膜，例如晶体薄膜和各向异性聚合物薄膜的制作与迭合也已有若干方法，且该方面的研究目前正在迅速进展，故对于上所述多层迭合膜的具体制作工艺此处不赘述。

上述多层膜起偏分束片的工作原理如下：

当光束正入射到上述由双折射介质薄膜组成的多层膜迭合片时，在光轴方向平行于迭合片平面的各膜层内，光束被分解成振动方向垂直于和振动方向平行于该膜层光轴的两个偏振分量，对于振动方向垂直于光轴的寻常光偏振分量，其折射率是该膜层的主折射率n_o，对于振动方向平行于光轴的非寻常光偏振分量，其折射率是该膜层的另一主折射率n_e；而当这两个偏振分量进入相邻的光轴方向垂直于迭合片平面的膜层内时，由于这两个偏振分量的振动方向都与该膜层光轴垂直，故它们的折射率都是该膜层对于寻常光偏振分量的主折射率n_o。于是，这两个偏振分量中的一个在该迭合片的任一膜层内有着相同或近似相同的折射率，因此该迭合片对于它只是一透明薄片，故其能有效地通过该迭合片；而这两个偏振分量中的另一个在该迭合片的任何两个相邻的膜层内却有着不同的折射率，众所周知，对于折射率是高低交替变化的多层介质膜，并且各膜层的厚度选取合适时，它便成为一个具有高反射率的多层介质膜反光镜(可参见中文书籍《光学手册》，李景镇主编，陕西科学技术出版社，1986年5月第1版，第651-663页)，从而可使该偏振分量被有效地反射，两个振动方向相互垂直的偏振分量一个能有效地通过，一个被有效地反射，所以起偏分束的目的便被实现。

当光束正入射到上述由双折射介质薄膜和各向同性介质薄膜复合组成的多层膜迭合片时，在各双折射介质膜层内，由于膜层光轴平行于迭合片平面，故光束也被分解成振动方向垂直于和振动方向平行于膜层光轴的两个偏振分量，对于振动方向垂直于光轴的寻常光偏振分量，其折射率是该膜层的主折射率n_o，对于振动方向平行于光轴的非寻常光偏振分量，其折射率是该膜层的另一主折射率n_e；而当这两个偏振分量进入相邻的各向同性介质膜层内时，由于这两个偏振分量的折射率都是该膜层的折射率n_i，且n_i等于或近似等于n_o。于是，入射光束中两个偏振分量中的一个在该迭合片的任一膜层内也有着相同或近似相同的折射率，因此该迭合片对于它也只是一透明薄片，故其也能有效地通过；而两偏振分量中的另一个在该迭合片的任何两个相邻的膜层内却也有着不同的折射率，于是对它而言，该迭合片也是一折射率高低交替变化的多层介质膜堆，当各膜层的厚度选取合适时，该迭合片便也对它成为一个具有高反射率的多层介质膜反光镜，从而同样使该偏振分量被有效地反射，所以起偏分束的目的便也可被实现。

该种多层膜起偏分束片具有下述优点：

1.由于组成多层介质高反射镜或多层介质宽带高反射镜的各层膜的所需厚度仅是光波长量级，故该起偏分束装置为薄膜或薄片状。

2.入射光束中的两个偏振分量，由于一个能有效地通过，一个被有效地反射，所以透射与反射光束都分别成为具有很高纯度的单偏振光束，因此该起偏分束装置能具有很高的消光比。

3.该起偏分束装置完全基于非吸收工作方式，且器件的厚度很薄，故装置本身的总吸收可很小，因此能具有很高的透射比。

4.现有技术已可制作出面积足够大的薄膜，因此该种起偏分束装置可具有大通光孔径。

5.入射光束中的两个偏振分量，由于一个直接透射，一个被反射，故被起偏的两偏振光束间可有很大的分离角，尤其是当光束正入射时，两光分离角为180°，这是两光束的最大分离角值。

6.由于该装置对入射光束的总吸收很小，因此可允许更高功率的光束通过，故其抗光损伤能力增强。

7.当该装置被制作成多层介质膜宽带高反射镜时，它便在一个宽波长范围内，都可对入射光束进行偏振选择性透射和反射，从而可具有大工作带宽。

8.当光束倾斜入射时，多层介质膜高反射镜的高反射性能可在较宽的角度变动范围内保持，尤其是对于多层介质膜宽带高反射镜，其对入射角变化的允许范围更宽，因此该起偏分束装置可具有较大的视场角。

可见，本发明所提供的多层膜起偏分束片与现有技术相比，具有多种优点综合兼顾的长处。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细地说明。

图1是本发明第一个实施例结构的简化侧视图。

图2是本发明第二个实施例结构的简化侧视图。

图1是本发明的第一个实施例结构的简化侧视图。图中1是由k层双折射介质薄膜组成的多层膜迭合片，其内的膜层的顺序号为P1、P2、P3、P4、...、Pk’、Pk，该实施例中k为奇数，且k’＝k-1。在这些膜层中，膜层顺序号的副标号为奇数的各膜层(即P1、P3、...、Pk等层)的光轴全沿着图中y轴的方向，而膜层顺序号的副标号为偶数的各膜层(即P2、P4、...、Pk’等层)的光轴全沿着图中z轴的方向，y与z两轴方向相互垂直，且y轴方向平行于迭合片平面，z轴方向垂直于迭合片平面。k层膜迭合片被制作附着在一个由各向同性介质制成的透明平板片基(图中2)上，在k层膜迭合片的另一表面上制作了单层增透膜(图中3)，在平板片基的另一表面上也制作了单层增透膜(图中4)。

该实施例中k层双折射薄膜均采用一种双折射材料，例如金红石(TiO₂)、方解石(CaCO₃)或某种聚和物薄膜，它们对于寻常光偏振分量与非寻常光偏振分量的主折射率值为n_o与n_e，故各层的n_o和n_e值相同。选取光轴平行于y轴的各膜层的厚度为d_y＝λ/(4n_e)，选取光轴平行于z轴的各膜层的厚度为d_z＝λ/(4n_o)，其中λ为所选的光波长。设平板片基的折射率为n_e，通过选择合适的片基材料，例如玻璃或石英等，应尽量使n_e值与n_o值相同或相近。设图中3所示的增透膜的折射率为n₃，图中4所示的增透膜的折射率为n₄，应选择合适的薄膜材料，使得值n₃等于或接近值

值n₄等于或接近值

其中n_a是整个器件外的介质，例如空气的折射率。图中3所示的增透膜的厚度为d₃＝λ/(4n₃)，图中4所示的增透膜的厚度为d₄＝λ/(4n₄)，而平板片基的厚度一般是远大于光波长的(图1中各膜层以及平板片基的厚度都不是按比例画出，仅作原理性示意)。

当一自然光光束(图中5)正入射到该实施例的左侧表面时，该光束可被分解成振动方向平行于y轴和x轴的两个偏振分量(x轴分别与y轴、z轴垂直)，它们在图中分别用短直线(代表平行于y轴的偏振分量)与圆点(代表平行于x轴的偏振分量)表示。

对于振动方向平行于x轴的偏振分量，在各双折射膜层内，其振动方向即与顺序号为奇数的各膜层的光轴垂直，也与顺序号为偶数的各膜层的光轴垂直，故其在所有双折射膜层内的折射率全为n_o，所以当其通过该实施例的各膜层和片基时，其折射率依次是n₃、n_o、n_o、n_o、…、n_o、n_e、n₄，由于平板片基的折射率n_e等于或接近n_o，所以对此偏振分量，该实施例等效是一片两表面镀有增透膜的透明平板，故其能以极高的透过率通过该实施例而成为透射偏振分量(图中6)。

而对于振动方向平行于y轴的偏振分量，在各双折射膜层内，其振动方向与顺序号为奇数的各膜层的光轴平行，与顺序号为偶数的各膜层的光轴垂直，故当其通过该实施例的各膜层和片基时，其折射率依次是n₃、n_e、n_o、n_e、…、n_o、n_e、n₃、n₄，加上n₆等于或接近n_o，所以对此偏振分量，k层双折射薄膜对其便构成一个折射率高低交替变化的多层介质膜堆，加上各膜层的厚度又是依据高反射镜的结构而选取，故这些双折射膜层便成为一个具有高反射率的多层介质膜反光镜，另外又因为 从而图中3所示的膜层对此偏振分量并不是理想的增透膜，故此偏振分量便以极高的反射率被该实施例反射而成为反射偏振分量(图中7)。

图2是本发明的第二个实施例结构的简化侧视图。图中8是由双折射介质薄膜与各向同性介质薄膜交替重复迭合组成的总层数为k层的多层膜迭合片，其内的膜层的顺序号也为P1、P2、P3、P4、…、Pk’、Pk，且同样k为奇数，k’＝k-1。在这些膜层中，膜层顺序号的副标号为奇数的各膜层(即P1、P3、…、Pk等层)是双折射介质膜层，它们的光轴全沿着图中y轴的方向(y轴方向平行于迭合片平面)，而膜层顺序号的副标号为偶数的各膜层(即P2、P4、...、Pk’等层)是各向同性介质膜层。该k层膜迭合片也被制作附着在一个由各向同性介质制成的透明平板片基(图中9)上，在k层膜迭合片的另一表面和平板片基的另一表而上也分别制作了单层增透膜(图中10和11)。

该实施例的k层膜迭合片中的各双折射薄膜均采用一种双折射材料，它们对于寻常光偏振分量与非寻常光偏振分量的主折射率值为n_o与n_e，而k层膜迭合片中的各层各向同性介质薄膜也只采用一种各向同性材料，它们的折射率为n_i，通过选择合适的薄膜材料，应使n_i值与n_o值相同或相近。选取各双折射膜层的厚度为d_y＝λ/(4n_e)，选取各层各向同性介质膜层的厚度为d_i＝λ/(4n_i)，其中λ亦为所选的光波长。设平板片基的折射率为n_e，应使n_e值与n_o值相同或相近，设图中10所示的增透膜的折射率为n₁₀，图中11所示的增透膜的折射率为n₁₁，应使值n₁₀等于或接近值 值n₁₁等于或接近值

其中n_a也是器件外介质的折射率。图中10所示的增透膜的厚度选为d₁₀＝λ/(4n₁₀)，图中11所示的增透膜的厚度选为d₁₁＝λ/(4n₁₁)。

同理，当一自然光光束(图中12)正入射到该实施例的左侧表面时，该光束也可被分解成振动方向平行于y轴和x轴的两个偏振分量(x轴与y轴垂直)。

对于振动方向平行于x轴的偏振分量，当其通过该实施例的各膜层和片基时，其折射率依次是n₁₀、n_o、n_i、n_o、...、n_o、n₅、n₁₁，且n_e等于或接近n_o，n_i也等于或接近n_o，所以对此偏振分量，该实施例也等效是一片两表面镀有增透膜的透明平板，故此偏振分量也能以极高的透过率通过该实施例而成为透射偏振分量(图中13)。

而对于振动方向平行于y轴的偏振分量，当其通过该实施例的各膜层和片基时，其折射率依次是n₁₀、n_e、n_o、n_e、...、n_o、n₆、n₅、n₁₁，加上各膜层的厚度也是按照高反射镜的要求而选取，以及

所以对此偏振分量，该实施例也等效是一片具有高反射率的多层介质膜反光镜，故此偏振分量便也以极高的反射率被该实施例反射而成为反射偏振分量(图中14)。

Claims (8)

1.一种光学起偏分束装置，其特征在于：由双折射介质薄膜组成多层膜迭合片，片内各膜层的光轴只沿两个方向按膜层顺序交替重复取向，一个方向垂直于迭合片平面，另一个方向平行于迭合片平面。

2.一种按照权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的由双折射介质薄膜组成的多层膜迭合片片内各膜层的厚度依据制作折射率为n_o和n_e两种膜料的多层介质高反射镜或多层介质宽带高反射镜的现有技术要求而选取，n_o与n_e分别为双折射薄膜对于寻常光偏振分量与非寻常光偏振分量的主折射率。

3.一种按照权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的由双折射介质薄膜组成的多层膜迭合片，当使用两种或两种以上材料的薄膜时，各膜层对于寻常光偏振分量的主折射率值n_o应相同或近似相同。

4.一种光学起偏分束装置，其特征在于：由双折射介质薄膜与各向同性介质薄膜交替重复迭合组成多层膜迭合片，片内各双折射介质膜层的光轴只沿一个平行于迭合片平面的方向取向。

5.一种按照权利要求4所述的装置，其特征在于：所述的由双折射介质薄膜和各向同性介质薄膜复合组成的多层膜迭合片，片内各膜层的厚度，依据制作折射率为n_i和n_e两种膜料的多层介质高反射镜或多层介质宽带高反射镜的现有技术要求而选取，n_i为各向同性介质膜层的折射率，n_e为双折射介质膜层对于非寻常光偏振分量的主折射率。

6.一种按照权利要求4所述的装置，其特征在于：所述的由双折射介质薄膜和各向同性介质薄膜复合组成的多层膜迭合片，当使用三种或三种以上材料的薄膜时，各层各向同性介质膜层的折射率值n_i与各层双折射介质膜层的对于寻常光偏振分量的主折射率值n_o应相同或近似相同。

7.一种按照权利要求1或4所述的装置，其特征在于：所述的多层膜迭合片可以制作在一透明的平板片基上。

8.一种按照权利要求1或4所述的装置，其特征在于：在所述的多层膜迭合片的表面再制作附加的增透膜。