CN1223869C - 偏振分束器及利用该分束器的偏振器 - Google Patents

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Abstract

一种偏振分束器和一种配置有偏振分束器的偏振器。偏振分束器包括一偏振光分束膜：其中以预定角度进入的光L0的第一偏振光L1被透射，而进入的光L0的第二偏振光L2在不同于透射第一偏振光的方向上被反射，具有(H2L)m、(H2L)mH和2L(H2L)m的任一结构的多层膜形成，m是大于或等于3的整数，每个膜是基本结构膜H2L的一种重复结构，当假设λ0表示入射光550nm的基准波长时，高折射率层H和低折射率层L均具有约等于λ0/4的光学膜厚度；和分别设置在所述膜2的光入射面2A一侧和光出射面2B一侧的透明衬底3A、3B。偏振器配置有上述偏振分束器，并通过交替层叠偏振光分束膜和透明衬底并斜向切割而形成。

Description

偏振分束器及利用该分束器的偏振器
技术领域
本发明涉及一种在多个透明基底之间设置一个偏振光分束膜的偏振分束器，以及一种用于将自然光设置为特定偏振态的配置有偏振分束器的偏振器。
背景技术
普通光线既不是完全偏振态，也不是完全非偏振态，而是包含两种状态的各种状态的共存。要从这些状态中获得一种特定的偏振态，迄今为止已经研究了各种类型的偏振器。
作为上述偏振器，例如有利用晶体双折射的双折射偏振器，利用高分子聚合物的光学二向色性的二向色偏振器，利用S偏振光的反射光的反射偏振器等。
作为具有上述类型偏振器的功能的光学元件，已知的例如有偏振分束器(PBS)，在这种分束器中，透过P偏振光并在不同于透射方向的方向上反射S偏振光的偏振光分束元件构造成保持在透明基底如玻璃基底之间，此时，P偏振光是以预定角度进入的入射光的第一偏振光，S偏振光是第二偏振光。
关于偏振分束器(PBS)，已知有很多有关的文献，例如在“Light/ThinTechniqueManual，enlargedandrevisededition(光/薄膜技术手册，增补版)”(由TheOptoronicsCo.，Ltd1992年出版)。
在上述文献中，展示了一种通过层压高折射率材料制成的高折射率层和低折射率材料制成的低折射率层而构成的薄膜层叠型偏振光分束元件。薄膜型偏振光分束元件利用光学单轴各向异性现象，而这种现象在交替层叠折射率彼此不同的、厚度与光波长相比足够小的两种薄膜(高折射率层和低折射率层)时出现。
关于薄膜层叠型偏振光分束元件，假设λ0代表入射光的550nm的相干波长，L代表光学膜厚度为λ0/4的低折射率层(光学膜厚度：折射率×厚度)，H代表光学膜厚度为λ0/4的高折射率层，则上述文献给出了一个表述为下列公式(1)、(2)等的设计指标：
(HL)m(1)
(0.5HL0.5H)m(2)
此处，m是一个任意正整数。
另外，0.5H代表光学膜厚度为(λ0/8)的高折射率层，该层的厚度是厚度为λ0/4的高折射率层的0.5倍。
在上述公式(1)和(2)中，m被方便地设置为不小于4。
上述薄膜层叠型偏振光分束元件利用光斜入射时P偏振光和S偏振光之间的非透射范围的差异。
然后，通过透明基底固持具有高折射率层H和低折射率层L的偏振光分束元件以形成长方体形状，由此构成偏振分束器。
常规的薄膜层叠的棱镜型偏振分束器(PBS)的截面示于图25中。
在偏振分束器50中，偏振光分束元件52通过交替地重复叠置高折射率层H和低折射率层L而构成，并且通过透明基底51固定在偏振光分束元件52的两侧上。
P偏振光透过偏振光分束元件52，而S偏振光被偏振光分束元件52反射并且如图所示地向下传播。
另外，入射到偏振光分束元件上的角度被调节为45°、而反射的S偏振光以相对于入射方向90°角传播的分束器被称作“矩形棱镜PBS”。
图26是矩形棱镜PBS60的结构简图。
具有类似于图25所示偏振光分束元件52的层叠结构的偏振光分束元件62由透明基底61从其两面固定，由此构成偏振分束器(PBS)60。入射光关于偏振光分束元件62以45°的入射角进入偏振光分束元件62，并且S偏振光如图所示地以关于入射方向90°的角度向下传播。
于是，在利用上述薄膜层叠型偏振光分束元件的偏振分束器中，优选将入射光入射到偏振光分束元件上的入射角设置为一个特定的角度，主要为45°角(如图26所示)。
但是在这种情况下，要满足所希望的特点，需要形成一个不少于30层的膜作为构成偏振光分束元件的多层膜，并且结果整个膜的厚度变得厚达4μm或更厚。
另外，虽然高折射率层和低折射率层重复的基本图案很简单，但它特别需要手动细微调节每一层的膜厚度。
这种多层膜难以制造，并且存在不可能很便宜地提供的问题。
另外，制造成本也提高。
这里假设用TiO2作为高折射率层H的高折射率材料，用SiO2作为低折射率层L的低折射率材料，图24中展示了偏振光分束膜的偏振光分束特性的计算结果，其中代表重复次数的m设置为4，因而具有结构(HL)4。
然后，作为一个标准，假设满足P偏振光的透射率Tp≥90％、S偏振光的透射率Ts≤10％认做是偏振光被充分分开的范围(以下称作“偏振光可分区域”)，如图24所示，与偏振光可分区域对应的带宽为380nm～540nm，即具有大约160nm的值，不是非常宽。
另外，当例如用n＝1.52的常规光学玻璃作为具有上述结构的偏振光分束膜的透明衬底时，偏振光分束膜对大约58°的入射角显示出最佳偏振光分束特性，并且当入射角为45°时，该膜不显示最佳偏振光分束特性。
因此可以理解，当建造(HL)4结构的偏振光分束膜使用时，很难构成高性能的PBS。
为了解决上述问题，本发明提供了一种具有以简单的膜层结构和数量减少的层叠膜对宽范围的偏振光分束的功能的价廉偏振分束器，以及一种配置有偏振分束器以将中性光分布成特定偏振态的偏振分束器。
发明内容
根据本发明的偏振分束器是这样一种偏振分束器，其中以预定角度进入的光的第一偏振光被透射，而进入的光的第二偏振光在不同于透射第一偏振光的方向上被反射；有一个偏振光分束膜，该膜包括一个由光学透明的高折射率层H和光学透明的低折射率层L组成的基本结构膜H2L，其中高折射率层H对于入射光具有预定的折射率，而低折射率层L具有低于高折射率层的折射率，即偏振光分束膜由具有(H2L)m、(H2L)mH和2L(H2L)m的任一结构的多层膜形成，m是大于或等于3的整数，每个膜是基本结构膜的一种重复结构，其中当假设λ0表示入射光550nm的基准波长时，高折射率层H和低折射率层L均具有约等于λ0/4的光学膜厚度；并且具有分别设置在偏振光分束膜光入射面一侧和光出射面一侧的透明衬底。
根据本发明的偏振器是一种配置有偏振分束器的偏振器：其中以预定角度进入的光的第一偏振光被透射，而进入的光的第二偏振光在不同于透射第一偏振光的方向上被反射；有一个偏振光分束膜，该膜包括一个由光学透明的高折射率层H和光学透明的低折射率层L组成的基本结构膜H2L，其中高折射率层H对于入射光具有预定的折射率，而低折射率层L具有低于高折射率层的折射率，即偏振光分束膜由具有(H2L)m、(H2L)mH和2L(H2L)m的任一结构的多层膜形成，m是大于或等于3的整数，每个膜是基本结构膜的一种重复结构，其中当假设λ0表示入射光550nm的基准波长时，高折射率层H和低折射率层L均具有约等于λ0/4的光学膜厚度；并且具有分别设置在偏振光分束膜光入射面一侧和光出射面一侧的透明衬底，并且该偏振器通过交替层叠偏振光分束膜和斜向切割的透明衬底而形成。
根据本发明偏振分束器的上述结构，因为偏振光分束膜由具有(H2L)m、(H2L)mH和2L(H2L)m的任一结构的多层膜形成，m是大于或等于3的整数，每个膜是包含基本结构膜的一种重复结构(H2L)m(m是大于或等于3的整数)的结构，利用光学膜厚度均约等于λ0/4的高折射率层H和低折射率层L，可以获得一个较宽波长范围上的充分的偏振光分束特性。
根据本发明偏振器的上述结构，因为偏振器配置有本发明的上述偏振分束器并且通过交替层叠偏振光分束膜和斜向切割的透明衬底而形成，所以可以通过本发明上述偏振分束器的功能获得较宽波长范围上的充分的偏振光分束特性，因此可以将中性光有效地分布成一种特定的偏振态。
附图说明
图1是根据本发明实施例的偏振分束器结构简图(偏振分束器的近似放大图)；图2是图1所示的偏振光分束膜在基本结构膜的重复层数为四的情况下的结构视图；图3A是在(L2L)4结构中波长-透射率分布的特性曲线；图3B是在(L2L)4结构中波长-反射率分布的特性曲线；图4A是(H2L)4结构中波长-透射率分布的特性曲线；图4B是(H2L)4结构中波长-反射率分布的特性曲线；图5A是(H2L)3H结构中波长-透射率分布的特性曲线；图5B是(H2L)3H结构中波长-反射率分布的特性曲线；图6A是(L2L)4结构和(H2L)3H结构中波长-透射率分布的特性曲线的相互比较；图6B是(L2L)4结构和(H2L)3H结构中波长-反射率分布的特性曲线的相互比较；图7A是(H2L)4结构中波长-透射率分布的特性曲线；图7B是(H2L)4结构中波长-反射率分布的特性曲线；图8A是(H2L)2H结构中波长-透射率分布的特性曲线；图8B是(H2L)2H结构中波长-反射率分布的特性曲线；图9A是(H2L)3结构中波长-透射率分布的特性曲线；图9B是(H2L)3结构中波长-反射率分布的特性曲线；图10A是(H2L)m结构中m值变化时波长-透射率分布的特性曲线；图9B是(H2L)m结构中m值变化时波长-反射率分布的特性曲线；图11是表示角度改变的情况下重复次数m与P偏振光的透射率之间的关系特性曲线；图12A是(H2L)3H结构和2L(H2L)3结构中波长-透射率分布的特性曲线的相互比较；图12B是(H2L)3H结构和2L(H2L)3结构中波长-反射率分布的特性曲线的相互比较；图13A是(H2L)3H结构中透射率的角分布-波长的特性曲线；图13B是(H2L)3H结构中反射率的入射角分布-波长的特性曲线；图14A是2L(H2L)3结构中透射率的入射角分布-波长的特性曲线；图14B是2L(H2L)3结构中反射率的入射角分布-波长的特性曲线；图15A是(H2L)4结构中透射率的入射角分布-波长的特性曲线；图15B是(H2L)4结构中反射率的入射角分布-波长的特性曲线；图16A是(H2L)5结构中透射率的入射角分布-波长的特性曲线；图16B是(H2L)5结构中反射率的入射角分布-波长的特性曲线；图17是在(H2L)4结构中每一层膜的光学厚度设置为(520/4)nm的情况下波长-反射率分布的特性曲线；图18是在(H2L)4结构中每一层膜的光学厚度设置为(580/4)nm的情况下波长-透射率分布的特性曲线；图19A是在(H1.8L)4H结构中波长-透射率分布的特性曲线；图19B是在(H1.8L)4H结构中波长-反射率分布的特性曲线；图20A是在(H2.2L)4H结构中波长-透射率分布的特性曲线；图20B是在(H2.2L)4H结构中波长-反射率分布的特性曲线；图21是当把ZrO2用作高折射率材料、MgF2用作低折射率材料时(H2L)4结构中偏振光分束特性的特性曲线；并且在这些附图中，图21A是透射率关于波长的分布特性曲线，而图21B是反射率关于波长的分布特性曲线；图22是常规偏振器的结构视图；图23是低折射率层、高折射率层和透明衬底之间的关系简图以定义45°的入射角；图24是(HL)4结构中透射率关于波长的分布特性曲线；图25是薄膜层叠的棱镜型偏振分束器的结构视图；和图26是矩形棱镜型PBS结构视图。
具体实施方式
本发明提供了一种偏振分束器，其中以预定角度进入的光的第一偏振光被透射，而进入的光的第二偏振光在不同于透射第一偏振光的方向上被反射；有一个偏振光分束膜，该膜包括一个由光学透明的高折射率层H和光学透明的低折射率层L组成的基本结构膜H2L，其中高折射率层H对于入射光具有预定的折射率，而低折射率层L具有低于高折射率层的折射率，即偏振光分束膜由具有(H2L)m、(H2L)mH和2L(H2L)m的任一结构的多层膜形成，m是大于或等于3的整数，每个膜是基本结构膜的一种重复结构，其中当假设λ0表示入射光550nm的基准波长时，高折射率层H和低折射率层L均具有约等于λ0/4的光学膜厚度；并且具有分别设置在偏振光分束膜光入射面一侧和光出射面一侧的透明衬底。
另外根据本发明，上述偏振分束器有这样一种结构，即，选择透明衬底光进入侧的折射率和透明衬底光出射侧的折射率，使得当偏振光分束膜上的入射光的入射角为45°时，可以将偏振光充分地分束。
另外根据本发明，上述偏振分束器有这样一种结构，即高折射率层H由TiO2或Nb2O5形成，低折射率层L由SiO2形成；m是3～7的整数；并且透明衬底的光进入面一侧和光出射面一侧的折射率均约为1.75-1.8。
本发明提供了一种配置有偏振分束器的偏振器，其中以预定角度进入的光的第一偏振光被透射，而进入的光的第二偏振光在不同于透射第一偏振光的方向上被反射；有一个偏振光分束膜，该膜包括一个由光学透明的高折射率层H和光学透明的低折射率层L组成的基本结构膜H2L，其中高折射率层H对于入射光具有预定的折射率，而低折射率层L具有低于高折射率层的折射率，即偏振光分束膜由具有(H2L)m、(H2L)mH和2L(H2L)m的任一结构的多层膜形成，m是大于或等于3的整数，每个膜是基本结构膜的一种重复结构，其中当假设λ0表示入射光550nm的基准波长时，高折射率层H和低折射率层L均具有约等于λ0/4的光学膜厚度；并且具有分别设置在偏振光分束膜光入射面一侧和光出射面一侧的透明衬底，并且该偏振器通过交替层叠偏振光分束膜和斜向切割的透明衬底而形成。
另外根据本发明，上述偏振分束器有这样一种结构，即高折射率层H由TiO2或Nb2O5形成，低折射率层L由SiO2形成；m是3～7的整数；并且透明衬底的光进入面一侧和光出射面一侧的折射率均约为1.75-1.8。
首先，在对本发明的特定实施例进行描述之前，先介绍本发明的轮廓。
在本发明中，采用由光学透明的高折射率层H和光学透明的低折射率层L组成的H2L作为基本结构，其中高折射率层H对于入射光具有预定的折射率，低折射率层L具有低于高折射率层H的折射率。当假设λ0表示入射光550nm的基准波长时，高折射率层H和低折射率层L均设置成具有约等于λ0/4的光学厚度(光学厚度或光学膜厚度：折射率×厚度)。然后，2L代表两倍于λ0/4的光学膜厚度(λ0/2)。
常规地，把具有光学膜厚度(λ0/2)的层称作间隔层并对波长为λ0的光没有影响，因此在常规的PBS膜中不使用高层。
但是，本申请的发明者发现，当低折射率层的膜厚度肯定地设置为λ0/2＝2L时，光可以被起偏且分开的带宽大大地扩大，并且实现本发明。
然后，取代上述公式(1)和(2)中所示的结构，使偏振光分束膜具有下列公式(3)所示的结构、下列公式(4)所示的结构和下列公式(5)所示的结构其中之一：
(H2L)m...(3)
2L(H2L)m...(4)
(H2L)mH...(5)
其中m是大于等于3的整数。最好把m设置为3～7之间的整数，使得层数不会变得非常大。
另外，透明衬底分别设置在光进入侧和光出射侧，从而构成偏振分束器。
通常希望偏振分束器的偏振光分束膜在入射角为45°时具有最佳的偏振光分束特性。
在使用具有包含上述(H2L)m结构(以下称作“(H2L)m结构”)的构型的偏振光分束膜的偏振分束器中，在使用TiO2作为高折射率层H的材料、使用SiO2作为低折射率层L的材料，并且把具有折射率n＝1.52的最常规的白玻璃片(如所谓的“BK7”等)用作透明衬底的情况下，提供最佳偏振光分束特性的入射角变为56°。
当把具有使用折射率n＝1.52的透明衬底这一结构的偏振分束器应用到偏振器中以将中性光分布成特定的偏振态时，因为需要使光入射到偏振光分束膜上的入射角例如大到56°，所以需要使偏振器的厚度比常规的大。
因此，作为偏振器和常规制造之间兼容性降低的可能性变大的结果，不方便改变构成光学系统的有关光学组件之间的关系。
偏振分束器中偏振光分束膜(PBS)的偏振光分束特性与入射角之间的关系尤其依赖于透明衬底光入射侧的折射率。
鉴于上述内容，在本发明中，在使用具有(H2L)m结构的偏振光分束膜的偏振分束器中，通过进一步选择透明衬底的折射率，可以在45°的入射角处获得充分的偏振光分束，优选在45°的入射角处获得最佳偏振光分束特性。
此处，如图23所示，已知在透明衬底的折射率(nSUB)和薄膜材料的折射率(nH，nL)之间存在一种关系以获得45°的入射角(引自2001年的TechnologyInformationAssosiation公开的题为“Design/Fabrication/EvaluationTechniqueofOpticalThinFilmintheProductionField”的文章)。通过参阅该关系，并且考虑到实际膜的光学常数，优选选择具有适当折射率的透明衬底。
常规地可以获得具有各种特性的除折射率n为1.52的上述白玻璃(BK7)以外的其它光学玻璃，并且它们的折射率范围覆盖1.44-2.05。
在使用具有(H2L)m结构的偏振光分束膜的偏振分束器中，透明衬底的折射率和提供最佳偏振光分束特性的入射角之间的关系是，当透明衬底的折射率增大时，在锐角(较小的角)入射角处提供最佳偏振光分束特性。
然后，在TiO2(n＝1.49，厚度＝92.3nm)作为高折射率层H的材料、使用SiO2(n＝2.40，厚度＝57.3nm)作为低折射率层L的材料的情况下，当透明衬底的折射率n约为1.75-1.8时，在45°入射角处获得最佳偏振光分束特性。
作为这种透明衬底，例如有对应的HOYACORPORATION制备的型号为NbFD12的光学玻璃或OHARAINC.制备的型号为S-LAH52的光学玻璃。
此处，在上述材料的组合中，当用常规玻璃(折射率约为1.52)作为透明衬底时，用于偏振分束的膜的表面上最佳入射角变为约56°。
图3～20中每一个的数据样本都是采用下列材料组合算出的结果，即在透明衬底的折射率n设置为1.8、入射角为45°条件下，以SiO2(n＝1.49，L＝92.3nm)作为低折射率层L，TiO2(n＝2.40，L＝57.3nm)作为高折射率层H的材料。假设每种材料都没有光吸收。
此处对具有与上述(H2L)m结构类似结构的(L2L)m结构进行比较。
在(L2L)m结构中具有LH2LH2LH2L...H2LHL的膜结构，因此其注意的构成元件是(H2L)的重复结构。
例如，比较下面两种结构并示于图3和4。图3A和4A表示透射率关于波长的分布，而图3B和4B表示反射率的情况。
(L2L)4＝LH2LH2LH2LHL：九层(图3A和3B)
(H2L)4＝H2LH2LH2LH2L：八层(图4A和4B)
比较图3和4可以直到，这些结构的偏振光分束特性几乎相同。
此处，当比较图4A与图24时显见，可以进行偏振分束的波长范围被极大地加宽。另外，在决定满足P偏振光的透射率Tp≥90％、S偏振光的透射率Ts≤10％这一要求的波长范围时，波长范围为420nm～720nm并具有近似300nm的带宽，并且直到波长范围近似翻倍。
而且，为了提供一种更对称的(H2L)4结构，使偏振光分束膜具有除去一个2L层的结构。在此情况下透射率关于波长的分布示于图5A，而反射率的情况示于图5B。
(H2L)3H＝H2LH2LH2LH：七层
如图5A和5B所示，甚至当偏振光分束膜具有(H2L)3H结构时，偏振光分束特性实质上也保持不变。
这种结构的益处达到了比(H2L)m结构少一层的程度。
在这里，通过在同一附图中比较两种结构的分布来战时图4A和4b中的(L2L)4结构以及图5A和5b中的(H2L)3H结构。
如图6A和6B所示，虽然在(H2L)3H结构中在短波一侧观察到轻微的衰减，但在长波一侧的特性有一个较宽的差额。
即，可以证明(H2L)mH结构优于(L2L)m结构。
另外，为了使偏振光分束膜具有与(L2L)4结构相同的九层，采用一种(H2L)4H结构。(H2L)4H结构的偏振光分束特性示于图7A和7B。比较图3和图7显见，在这些特性中(H2L)4H结构优于(L2L)4结构。
另一方面，在使m值较小时研究偏振光分束特性。
接下来，如图8和9所示，对下列(H2L)2H结构和(H2L)3结构研究透射率和反射率关于波长的分布。
(H2L)2H＝H2LH2LH：五层(图8A和8B)
(H2L)3＝H2LH2LH2L：六层(图9A和9B)
如图8A和8B所示，显而易见，在五层结构中对S偏振光的分离是不够的。
如图9A和9b所示，在六层结构中，在长波侧传输的S偏振光稍微地从一个所需值偏向短波，并且虽然透射量的最小值不会变为零，但也勉强可能偏振分离。
因此证明，从实际视点看，m值的下限是3。
接下来研究m值增大时偏振光分束特性关于S偏振光的变化。
在图10A和10B中分别示出了(H2L)mH结构中当m值从3变为7时透射率关于波长的分布变化以及反射率的情况。
如图10A和10B所示，显然，随着m的增大，S偏振光被反射的反射范围的两端更剧烈地上升和下降。并且很显然，关于S偏振光的反射带宽不出现很大的涨落。
因此，虽然没有考虑到m的上限值，但因为偏振光分束膜的层叠数越小，制造膜的优越性更多，这证明充分的m范围约为3～5。
在上述条件下，(H2L)m结构的重复数m被改变，并且研究了P偏振光的透射率Tp如何减小。结果示于图11。
如图11所示，显而易见，随着重复数m的增加，由于入射角改变，致使透射率的减少量增大，导致对角度的依赖向降低。
如果允许P偏振光的透射率减小至月80％，则m的上限变为7。
同时，作为一种结构，前面(5)所示的(H2L)mH结构和(4)所示的2L(H2L)m结构彼此相等。
此处，在同一附图中比较m值设置为3时获得的(H2L)3H＝H2LH2LH2LH和2L(H2L)3＝2LH2LH2LH2L，并且分别示于图12A和12B。
如图12A和12B所示，显而易见，两种结构具有近似相等的偏振光分束特性。
(H2L)3H结构就其总的膜厚度而言大约变薄120nm。
另一方面，在低折射率层L的膜形成速度是高折射率层H的四倍或更大时，可以选择2L(H2L)3结构。
但是，两种结构的入射角依赖性不同。
(H2L)3H结构中入射角变化约为45°±3°时透射率和反射率关于波长的分布变化分别示于图13A和13B，并且图14A和14B表示对于2L(H2L)3结构的情况。
如图13A和13B所示，在(H2L)3H结构中，关于入射角的变化，在入射角增大的+方和入射角减小的-方分布对称地改变。
相反，如图14A和14B所示，在2L(H2L)3结构中，关于-方入射发生很小的变化，关于+方入射发生很大的变化。
因为希望+方入射角的依赖性与-方入射角的依赖性对称，所以可以理解，(H2L)mH结构更便于使用。
接下来讨论由m值的变化导致的透射率和反射率对入射角的依赖性的变化。
(H2L)4结构中透射率和反射率对入射角的依赖性示于图15A和15B，在(H2L)5结构中的情形示于图16A和16B。
比较图15和16显见，在八层(H2L)4结构中关于入射角的非对称性较小。也就是说，较少层数的结构有一种非对称性较小的趋势，并且因此不受入射角变化的影响。
根据上述图13和16所示的结果，(H2L)mH结构会更便于实用。
但是，在高折射率层H的稳定性不足、并且在高折射率层H与透明衬底接触时出现问题的情况下，还需要考虑在层叠结构两侧的最外层设置低折射率层L，并且采用一种低折射率层L与衬底的每一侧接触的结构。
具有层叠结构的偏振光分束膜常规地趋于受入射角涨落的影响。如图13和14所示，当入射角从最佳角度变化时，出现三种无用的效果，如最初应为100％的P偏振光的透射率下降，偏振分束波段的移动等。P偏振光透射率的降低量趋于随薄膜中叠置层数的增加而增大。这决定m值的上限。
另外，根据Snell定律，光进入棱镜的透明衬底时空气中的角度移动减小。在这方面，可以认识到实用高折射率的透明衬底更有利。例如当假设透明衬底的折射率为n＝1.8时，空气中±3°的角度移动导致透明衬底内大约±1.7°的角度移动。
为了移动偏振分束的波段，只需要高折射率层h和低折射率层L每个膜的光学厚度偏离(薄于或厚于)基准波长λ0＝550nml/4λ。具体地说，只需要代替基准波长λ0设置中心波长λ，从而获得中心波长λ的1/4λ光学厚度。
如果使中心波长λ缩短，则偏振分束波段移到短波一侧。如果中心波长λ很长，则偏振分束波段移到长波一侧。
在(H2L)4H的九层结构中中心波长设置为520nm、即偏振光分束膜的每个H、L层的光学厚度做成(520/4)nm的情况下，关于该波长的透射率分布示于图17。另外，在中心波长λ设置为580nm的情况下，即偏振光分束膜的每个H、L层的光学厚度做成(580/4)nm的情况下，关于该波长的透射率分布示于图18。
另外，通过微小地改变高折射率层H而低折射率层L的膜厚度，也可以控制偏振光分束特性的波长依赖性。
基本上当膜的厚度较薄时，该特性移向短波一侧，而当膜厚度较厚时，该特性移向长波一侧。
另外，在(H2L)4H的九层结构中用1.8L代替2L的情况下关于波长的透射率及反射率分布示于图19A和19B，在该结构中用2.2L代替2L的情形示于图20A和20B。
顺便说一下，虽然当膜厚度变化量较大时可以进行偏振分束的波长范围的移动量也变大，但可以进行偏振分束的波长范围的宽度趋于变窄。
例如，虽然通过同时改变H和l的膜厚度可以获得类似于在基本结构为H2L时获得的特性，但该结构变得复杂且因此而不可取。
此处，图3至图20中所示的任一数据实例都是在假设SiO2用作低折射率层L的材料、TiO2用作高折射率层H的材料下算出的一种。但是，甚至当采用高折射率材料和低折射率材料的上述其它各种类型的组合来构成偏振光分束膜2时，所得的数据也有类似的趋势。
此处，在MgF2用作低折射率层L的材料、ZrO2用作高折射率层H的材料以构成(H2L)4H的九层结构的情况下透射率及反射率关于波长的分布示于图21A和21B。
在材料的上述组合中，当透明衬底的折射率为1.52I时最佳入射角约为50°，而当透明衬底的折射率为1.62时最佳入射角为45°。
如上所述，H2L构成膜的基本结构的结构适于偏振光分束膜，因此通过适当地组合膜材料，可以调节透明衬底的折射率以获得45°的入射角，并且可以扩宽偏振分束的波段。
下面解释本发明的一个特定实施例。
图1是根据本发明的偏振分束器的结构视图(偏振光分束膜的近似放大图)偏振分束。
偏振分束器1通过在偏振光分束膜2的两侧、即光进入面2A一侧和光出射面2B一侧上设置透明衬底3(3A，3B)构成。
偏振光分束膜2由一种(H2L)m结构构成，包括一种由上述基本结构膜H2L形成的重复结构(H2L)m(m是等于或大于3的整数)，而上述的基本结构膜H2L由低折射率层L和高折射率层H组成。即，偏振光分束膜2有上述(H2L)m、2L(H2L)m和(H2L)mH中任意一种结构。
作为构成低折射率层L的低折射率材料，例如可以使用SiO2(n＝1.454-1.493)，MgF2(n＝1.38)，LiF(n＝1.4)，AlF3(n＝1.4)，Na3AlF6(n＝1.33)等。
作为构成高折射率层H的高折射率材料，例如可以使用TiO2(n＝2.35-2.8)，Nb2O5(n＝2.32)，ITO(n＝1.9)，ZnO(n＝1.9)，CeO2(n＝1.95)，SnO2(n＝1.95)，Al2O3(内。63)，La2O3(n＝1.95)，ZrO2(n＝2.05)，Y2O3(n＝1.87)等。
如上所述，使低折射率层L和高折射率层H每个膜关于入射光L0的基准波长λ0＝550nm的光学厚度约有近似相等的值λ0/4＝137.5nm。
即，在例如SiO2(在基准波长＝λ0处n＝1.49)用作低折射率层L的材料的情况下，低折射率层L的膜厚度D1(参见图3)为92.3nm。在TiO2(在基准波长＝λ0处n＝2.40)用作高折射率层H的材料的情况下，高折射率层H的膜厚度D0(参见图3)为57.3nm。
此时，2L层的膜厚度为184.6nm，与低折射率层L的双层膜光学厚度对应。
另外，使基本结构H2L的重复数m等于或大于3，最好是3～7。
在这些所得的结构中基本结构H2L的重复数m为4、从而提供(H2L)结构的情况下，偏振光分束膜2的结构示于图2。
因而有一种趋势，即低折射率层L的折射率和高折射率层H的折射率之间的差异约大，偏振分束波段变得越宽。
如图2所示，此偏振光分束膜2有这样一种结构，即从光进入面一侧开始重复四次简单地层叠一个基本结构，该基本结构由高折射率层H和低折射率层2L组成，而低折射率层2L由第一低折射率层L1和第二低折射率层L2两层组成。
即，该结构从光进入面2A一侧起，包括一个第一基本结构膜H2L1，一个第二基本结构膜H2L2，一个第三基本结构膜H2L3和一个第四基本结构膜H2L4，它们依次层叠，无需对该基本结构有任何额外的改型，是一种极为简单的结构。
另外，因为层叠四次基本结构膜H2L，所以层数变为八。
在m＝3，5，6或7的情况下，也可以类似地构成偏振光分束膜2，但图中未示出。
即，设定偏振光分束膜2的层叠数M＝2m。
另外，甚至在采用2L(H2L)m结构或(H2L)mH结构作为偏振光分束膜2的情况下，也可以通过层叠低折射率层L和高折射率层H来构成偏振光分束膜2。在每个这种结构中，偏振光分束膜中的层叠数M为M＝2m+1。
在具有图1所示结构的偏振分束器1中，偏振光分束如下。
包含第一偏振光(例如是P偏振光)和第二偏振光(例如是S偏振光)的入射光L0在透明衬底3A中传播，然后到达偏振光分束膜2的光进入面2A并以预定的入射角θ入射到光进入面2A。
进入到偏振光分束膜2的光穿过偏振光分束膜2的内部。
第一偏振光L1直线穿过偏振光分束膜2并从光出射面2B穿出，然后穿过透明衬底2B并出射。
第二偏振光L2在偏振光分束膜2内以关于传播方向(透射方向)预定的角度反射，并穿过透明衬底3A再出射。
应该注意，第二偏振光L被具有如图2所示结构的多层膜的中间层、如被位于第二基本结构膜H2L2和第三基本结构膜H2L3之间边界处的低折射率层2L反射。
在此实施例中，在例如SiO2用作低折射率层L的材料、TiO2用作高折射率层的材料的情况下，例如当透明衬底3A和3B每个的折射率构造为1.8时，获得入射光L0的入射角设置为θ＝45°时的最佳偏振光分束特性。在此情况下，例如用Nb2O5作为高折射率层H的材料代替TiO2，也可以获得相同的结果。
根据上述实施例，因为偏振光分束膜2由(H2L)m结构构成，其中H2L用作基本结构膜，所以可以形成简单结构的偏振光分束膜。
另外，因为重复数m选自3～7，所以可以使层叠数M(M＝2m或2m+1)小到6～15。
因此，由于简单的膜结构以及很小的层叠数M，与常规的分束膜相比，可以更容易地进行膜形成过程，并且可以制造高性能的偏振光分束膜2。结果，可以提供低成本及高性能的偏振分束器。
另外，在例如SiO2用作低折射率层L的材料、TiO2或Nb2O5用作高折射率层的材料的情况下，通过进一步利用折射率n＝1.8的玻璃作为透明衬底3A和3B，可以在入射角约为45°处获得最佳偏振光分束特性。
因此，可以构成一种与常规的偏振分束器兼容的偏振分束器1。
另外，优选将高折射率层h和低折射率层L每一个膜的光学厚度设置为λ0/4(21层部分的光学膜厚度设置为λ0/2)；并且折射率设为n＝1.8。
但是，如果在一个很宽的波长范围内获得良好的偏振光分束特性，则光学膜厚度和折射率可以一定程度地偏离这些值(分别为λ0/4和1.8)。
虽然在上述实施例中对SiO2用作低折射率层L的材料、TiO2或Nb2O5用作高折射率层的材料以及透明衬底3A和3B每个的折射率为1.8时的情况做了解释，但在本发明中，高折射率层H和低折射率层L的组合以及将偏振光分束膜夹置中间的透明衬底每个的折射率等还可以有其它的构成。
另外，在本发明中，与高折射率层H和低折射率层L的组合相对应地选择一种透明材料，该材料具有适于用于固定偏振光分束膜的透明衬底的折射率，使得可以设计出一种与给定的入射角对应的偏振分束器。
另外，还可以通过配置本发明的偏振分束器构造一种用于把中性光分成特定偏振光的偏振器。
此处将常规偏振器的结构(偏振分束/转换棱镜)示于图22。
偏振器40有一种横界面结构，其中由透明衬底42从两侧固定一个偏振光分束膜41，使得光栅的入射角变为45°。具体地说，以在由玻璃组成的透明衬底42上形成薄膜层叠的偏振光分束膜41，并且通过层叠必需数量的分束膜41并粘结到透明衬底42上这种方式形成偏振器，并且以45°角斜向切割层叠结构。
另外，在光入射的左侧局部地设置遮光掩模43，而在光出射的右侧局部地设置1/2波片。遮光掩模43和1/2波片44与透明衬底42及层叠的偏振光分束膜41的重复相对应地周期性设置。
此偏振器40的功能如下。
偏振光分束膜41起着S偏振光的反射镜的作用，并且透射从中穿过的P偏振光。
由此，入射到偏振光分束膜41的光的P偏振光成分首先被分开，并且剩余的S偏振光成分被偏振光分束膜41两次反射并再出射。
此处因为遮光掩模43周期性地设置在光进入的左侧，所以避免了P偏振光成分进入S偏振光被反射出的趋于。
另外，因为P偏振光和S偏振光交替地呈现在光出射表面，所以需要布置该偏振态。通过周期性地设置1/2波片(λ/2片)，其中该波片是导致偏振光的方向改变90°的相位片，使得只有一种偏振光(图22中的S偏振光)通过1/2波片44，改变偏振光的方向90°，并且因此可以将偏振态布置成P偏振态。
此处，作为本发明偏振器(偏振分束/转换棱镜)的一个实施例，解释了将本发明应用到图22所示偏振器40上的情形。
偏振器40的偏振光分束膜41由一种(H2L)m结构的多层膜构成，包括作为上述基本结构膜H2L的重复结构的(H2L)m。即，偏振器40通过配置上述本发明的偏振分束器结构而构成。
如上所述，因为偏振器40通过配置本发明的上述偏振分束器结构而构成，所以可以在很宽的波长范围上获得充分质量的偏振光分束特性，由此能够将中性光有效地分布成特定的偏振态。
另外，因为偏振光分束膜41变得膜结构简单并且层叠数量很小，所以可以获得价廉且高性能的偏振器40。
本发明不限于上述实施例，可以在不脱离本发明的前提下进行各种改型。
根据本发明的上述偏振分束器，由于简单的膜结构和较少的层叠数量，可以获得一种在很宽波段中有偏振分束功能的价廉偏振分束器。
另外，根据本发明的偏振分束器，因为可以获得在45°入射角处的最佳偏振光分束特性，所以所得结构可以与常规偏振分束器兼容。
另外，根据本发明的偏振器，因为偏振器包括本发明上述偏振分束器的结构、从而具有宽波段的偏振分束功能，所以可以将中性光有效地分布成特定的偏振态。因此可以获得价廉且性能好的偏振器。

Claims (5)

1.一种偏振分束器，其中以预定角度进入的光的第一偏振光被透射，而进入的光的第二偏振光在不同于透射第一偏振光的方向上被反射，包括：
一个由多层膜组成的偏振光分束膜，该膜包括一个由光学透明的高折射率层H和光学透明的低折射率层L组成的基本结构膜H2L，其中高折射率层H对于入射光具有预定的折射率，而低折射率层L具有低于高折射率层的折射率，即偏振光分束膜由具有(H2L)m、(H2L)mH和2L(H2L)m的任一结构的多层膜形成，m是3～7的整数，每个膜是基本结构膜的一种重复结构，其中
当假设λ0表示入射光550nm的基准波长时，高折射率层H和低折射率层L均具有约等于λ0/4的光学膜厚度；和
分别设置在偏振光分束膜光入射面一侧和光出射面一侧的透明衬底。
2.如权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于选择透明衬底光进入面一侧的折射率和透明衬底光出射面一侧的折射率，使得当入射光入射到偏振光分束膜上的角度为45°时可以进行充分地起偏和分束。
3.如权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于高折射率层H由TiO2或Nb2O5形成，低折射率层L由SiO2形成，并且透明衬底光进入面一侧的折射率和透明衬底光出射面一侧的折射率均设置成近似1.75-1.8。
4.一种偏振器，包括：
一个偏振分束器，其中以预定角度进入的光的第一偏振光被透射，而进入的光的第二偏振光在不同于透射第一偏振光的方向上被反射，该偏振分束器包括
一个由多层膜组成的偏振光分束膜，该膜包括一个由光学透明的高折射率层H和光学透明的低折射率层L组成的基本结构膜H2L，其中高折射率层H对于入射光具有预定的折射率，而低折射率层L具有低于高折射率层的折射率，即偏振光分束膜由具有(H2L)m、(H2L)mH和2L(H2L)m的任一结构的多层膜形成，m是3～7的整数，每个膜是基本结构膜的一种重复结构，其中当假设λ0表示入射光550nm的基准波长时，高折射率层H和低折射率层L均具有约等于λ0/4的光学膜厚度；和
分别设置在偏振光分束膜光入射面一侧和光出射面一侧的透明衬底，其中，所述的偏振光分束膜和透明衬底交替层叠并倾斜切割。
5.如权利要求4所述的偏振器，其特征在于高折射率层H由TiO2或Nb2O5形成，低折射率层L由SiO2形成，并且透明衬底光进入面一侧的折射率和透明衬底光出射面一侧的折射率均设置成近似1.75-1.8。
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