第二篇-第十章-分光鏡ppt課件

1、第十章 分光鏡 曹建章,在光學(xué)系統(tǒng)或光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，通常需要將一光源的光束分成兩束，兩束光一束作為參考光，另一束作為測(cè)試光。一般的方法是用分光鏡，使一部分光能量反射，而另一部分光能量透射，透射光與反射光的比稱之為分光比，用T/R表示。由于反射率和透射率隨入射角變化，所以分光最簡(jiǎn)單的方法是將玻璃傾斜放置，就可分離出反射光和透射光。固定玻璃的傾斜角后，隨著入射光入射角的不同，也可得到不同的的分光比T/R。但是當(dāng)玻璃的傾角和入射光的入射角確定之后，分光比就是確定的值。一般情,況下，應(yīng)用中對(duì)分光鏡的反射角（也稱分離角）和分光比都有特定的要求，如果玻璃傾斜放置并改變?nèi)肷浣且膊荒軡M足應(yīng)用中的分光要求，這時(shí)就需

2、要在玻璃表面鍍膜，以得到所需的分光比。 依據(jù)光譜特性來(lái)區(qū)分，分光鏡可分為中性分光鏡和雙色分光鏡。中性分光鏡即將一束光分成光譜成分相同而傳播方向不同的兩束光。中性分光鏡僅改變光強(qiáng)，而不改變顏色。雙色分光鏡則將譜成份分成兩部分，一部分反射，一部分透射。依據(jù)光的偏振特性，將光束分成,為S-偏振光和P-偏振光，這種分光鏡稱之為偏振分光鏡。偏振分光屬于中性分光,即使 和 值差異很大,但在 角入射時(shí),如果 接近于垂直入射的反射率，這種情況也屬于中性分光。按分光鏡的幾何構(gòu)型分光鏡又分為平板分光鏡和棱鏡分光鏡，在斜入射時(shí)這兩種分光鏡都存在偏振效應(yīng)，大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中偏振效應(yīng)會(huì)造成光學(xué)系統(tǒng)性能的劣變，所以需要消偏

3、振，由此又產(chǎn)生消偏振分光鏡。 10.1 中性分光鏡 常用的中性分光鏡有兩種幾何形式：一種,分光形式是在透明的平行平板基底上鍍一層膜，如圖10-1（a）所示；另一種分光形式是在 直角棱鏡斜面上鍍膜，然后兩直角棱鏡再膠合成立方體，如圖10-1（b）所示。平板分光透射光束經(jīng)過(guò)平板，而反射光束未經(jīng)過(guò)平板，兩束光存在光程差。立方棱鏡分光反射光束和透射光束不存在光程差，這是立方棱鏡分光的優(yōu)點(diǎn)，所以在高性能光學(xué)系統(tǒng)中常采用立方棱鏡分光。另外，立方棱鏡分光在光學(xué)儀器中裝配方便，且膜層不暴露在空氣中，不易損害和腐蝕，因而對(duì)膜層材料的機(jī)械性能和化學(xué)性能要,求比較低。為了減小光學(xué)系統(tǒng)中的雜散反射光，分光鏡的自由表面

4、一般都鍍有增透膜,由于基底介質(zhì)和薄膜都存在色散和吸收，入射角變化會(huì)引起R和T的變化，且 和 、 和 也會(huì)隨入射角的變化而變化，這些都是設(shè)計(jì)中性分光鏡需要考慮的因素。 10.1.1 金屬膜中性分光 在平板基底表面或直角棱鏡基底斜面上鍍金屬膜就構(gòu)成金屬膜中性分光鏡。在可見光區(qū)，金屬銀的吸收最小，所以可用作金屬分光。但由于銀膜的中性較差，在藍(lán)光波段反射率降低，且機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性都不好，因此在平板分光中很少使用銀膜，一般都用在棱鏡分光鏡,中。 金屬鉻由于機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性都非常好，且其中性也比較好，分光比隨波長(zhǎng)的變化也很小，因此金屬膜中性分光鏡常用鉻膜。在可見光區(qū)鉻膜分光反射光束呈白色，透射光束

5、略帶棕色。 由于金屬膜都存在吸收，分光效率偏低。為了減小吸收損耗，可在金屬膜分光鏡上加鍍一層四分之一波長(zhǎng)厚度的介質(zhì)膜，如圖10-2所示。圖中數(shù)據(jù)是在光垂直入射時(shí)，入射光波長(zhǎng) ，玻璃基底（n=1.52）表面鍍鉻膜,的反射率R、透射率T和吸收率A的測(cè)量數(shù)值以及在鉻膜（Cr: =2-j3）和玻璃表面之間加鍍硫化鋅（ZnS：n=2.35）膜的反射率R、透射率T和吸收率A的測(cè)量值。由圖中數(shù)據(jù)可以看出，光正向入射的情況下，加鍍硫化鋅膜之后，吸收降低；反向入射，吸收增加。在鉻膜的前表面加玻璃片，光正入射時(shí)，吸收大大降低，反射率和透射率都有提高；光反向入射時(shí)，反射降低，吸收增加，透射不變。根據(jù)圖中數(shù)據(jù)也可以看

6、出，單層鉻膜的T+R約為60%，加鍍四分之一波長(zhǎng)硫化鋅介質(zhì)膜后，T+R提高到82%。鉻膜前表面加玻璃片，單層鉻膜的T+R,約為51%，加鍍硫化鋅膜后，T+R提高到75,在玻璃和鉻膜之間鍍高折射率介質(zhì)膜可以減小鉻膜的吸收，以增加膜層的透明度。在玻璃與金屬膜之間鍍金屬膜也可以減小金屬膜的吸收，比如為了減小鋁膜的吸收，在玻璃（玻璃的溫度必須加熱到 左右）基底的表面鍍一層銀膜，然后將鋁膜加鍍?cè)阢y膜上，則鋁膜的透明度在波長(zhǎng) 處可增加到3.5倍，在 處可增加2.5倍，而鋁膜與空氣界面的反射率仍然保持不變。 除此之外，欲使分光的效果更佳，也可選耐熱鎳鉻合金膜（Ni-80%,Cr-20%）、鎳鉻合,金膜（Ni

7、-90%,Cr-10%）和鎳鉻鐵合金膜（Ni-80%,Cr-14%，F(xiàn)e-6%）。在 的波段范圍內(nèi)，鎳鉻合金具有非常平坦的分光特性。由于鎳鉻的蒸發(fā)溫度不同，蒸鍍時(shí)溫度的高低很重要，因?yàn)闇囟雀叩蜎Q定鎳、鉻的百分比， 是比較適合的合金溫度。此外，為了提高合金膜的性能，蒸鍍時(shí)基底溫度需大于 ，蒸鍍后在空氣中以 的溫度進(jìn)行老化處理12小時(shí)。鉑和銠用作中性分光金屬膜，中性特性很好，機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性也很好。圖10-3是在偏振光和非偏振光入射情況下得到的,鎳鉻鐵合金分光膜實(shí)測(cè)光譜透射和反射曲線。 有時(shí)由于膜厚不易控制，在入射角給定的情況下，要得到合適的分光比T/R很難。解決問(wèn)題的辦法是把膜層用如圖10-

8、4所示的馬賽克圖案代替（微波技術(shù)中稱之為頻率諧振表面,黑區(qū)是不透明的高反射金屬膜，即高反射區(qū)，白區(qū)是高透射區(qū)。通過(guò)控制黑白區(qū)面積之比可得到所需的分光比T/R，而且T+R值很高。應(yīng)該注意的是黑白間隔要大于波長(zhǎng)兩個(gè)數(shù)量級(jí)以避免引起衍射效應(yīng)，尤其是間隔小于可見光波長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生色差。 金屬膜平板分光的反射率與入射光的方向有關(guān),T和R的取值取決于具體的應(yīng)用。比如,對(duì)于非偏振顯微鏡上的雙目鏡,要求 ，見圖10-5(a)；對(duì)于垂直反光鏡， 應(yīng)該取最大值，見圖10-5(b)；在某些干涉儀中,最,大條紋可見度要求 和 ，見圖10-5(c)。這些條件對(duì)于介質(zhì)膜立方棱鏡分光和金屬膜立方棱鏡分光自然是滿足的。 對(duì)于X-射

9、線區(qū)域分光鏡的研究目前僅限于接近垂直入射的情況，并在很窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)才有效,X-射線區(qū)域分光鏡是由沉積在膜片或基底上的多層反射膜系構(gòu)成，膜片或基底要薄，以增強(qiáng)透射分量。圖10-6給出的是X-射線分光的實(shí)測(cè)反射和透射曲線，X-射線分光鏡的構(gòu)成是在0.03厚的 薄膜上鍍11個(gè)周期Mo和Si膜層，入射角為 。 10.1.2 介質(zhì)膜中性分光 在光學(xué)系統(tǒng)中使用分光鏡，通常采用有效透射率描述其分光效果和性能。有效透射率定義為分光鏡的反射率與透射率的乘積,用 表示。如果 ， ， ，這是 的,最佳值，因而對(duì)應(yīng)的也是分光效果和性能最佳的分光鏡。因而對(duì)應(yīng)的也是分光效果和性能最佳的分光鏡。大多數(shù)金屬分光鏡 值在.0

10、到.之間。 介質(zhì)膜分光與金屬膜分光相比較，其優(yōu)點(diǎn)在于介質(zhì)膜吸收很小，所以分光效率高。但介質(zhì)膜存在色散，且其偏振效應(yīng)明顯，要產(chǎn)生中性分光比較困難。即使如此，介質(zhì)膜分光都比金屬膜分光性能要好。 在透明平板基底上鍍四分之一波長(zhǎng)厚的高折射率膜，可以增加反射率，減小透射率。因,此，選擇不同折射率的介質(zhì)作為分光膜，就可得到不同的分光比。 假設(shè)玻璃基底（ ）上鍍四分之一波長(zhǎng)高折射率介質(zhì)膜（ ），入射介質(zhì)為空氣（ ），根據(jù)式（3-39），斜入射時(shí)中心波長(zhǎng) 處的反射率為 光學(xué)等效導(dǎo)納,10-1,10-2,而 為入射角， 和 分別為膜層和玻璃基底中的透射角。玻璃平板 角放置,入射角 ，取不同折射率 ，分光膜的反射

11、率極值曲線如圖10-7所示,10-3,10-4,10-5,硫化鋅是常用的分光鍍膜材料，折射率 ，由圖可知，在 時(shí)，-波偏振的有效透射率為 -波偏振的有效透射率為 由此得到非偏振情況下的有效透射率為,可以看出，介質(zhì)膜分光的有效透射率比金屬膜分光的有效透射率大，分光效果和性能更好。同樣，由圖中 和 值數(shù)據(jù)可計(jì)算出二氧化鈰的有效透射率為 。如果分光膜用二氧化鈰，比硫化鋅分光膜更加牢固。 在可見光波段，介質(zhì)膜的折射率通常小于2.5，因此，對(duì)自然光進(jìn)行分光，要達(dá)到分光比T/R=1，單層介質(zhì)分光膜很難實(shí)現(xiàn)，必須采用多層介質(zhì)膜分光。 對(duì)于平板分光，通常采用膜系,10-6,作為分光膜，其中入射介質(zhì)A為空氣，

12、，基底G為玻璃， ,高低折射率介質(zhì)選擇硫化鋅(ZnS: )和氟化鎂(MgF: )。圖10-8就是分光膜（10-6）計(jì)算特性曲線，圖10-8（a）對(duì)應(yīng)于入射角 ，圖10-8（b）對(duì)應(yīng)于入射角 （設(shè)計(jì)角），圖10-8（c）對(duì)應(yīng)于入射角 。 在某些光學(xué)系統(tǒng)中平板分光的背面反射會(huì)造成雙像并引進(jìn)像差，因而必須采用立方棱鏡分光鏡。如果采用四分之一波長(zhǎng)單層高折射率介質(zhì)膜分光，立方棱鏡分光的反射率比平板分,光的反射率還要低，所以棱鏡分光必須采用多層介質(zhì)膜。在兩直角棱鏡間膠合多層膜系,10-7,構(gòu)成非偏振分光鏡。圖10-9就是立方棱鏡分光鏡（10-7）計(jì)算特性曲線，計(jì)算參數(shù)：玻璃棱鏡 ，低折射率膜 ，中等折射率

13、膜 ，高折射率膜 ，膜層厚度四分之一波長(zhǎng),分光設(shè)計(jì)入射角,10.1.3 金屬-介質(zhì)膜中性分光 金屬膜中性分光和介質(zhì)膜中性分光各有優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于理想中性分光，希望分光色散小、R和T隨入射角的變化小、偏振效應(yīng)小和吸收小，要做到這一點(diǎn)可采用金屬膜加介質(zhì)膜構(gòu)成金屬-介質(zhì)中性分光膜。比如在BK7玻璃上鍍銀并加鍍硫化鋅（ZnS）介質(zhì)膜構(gòu)成中性分光鏡 為空氣折射率， 為玻璃折射率,10-8,如果是BK7玻璃直角棱鏡斜面間膠合金屬-介質(zhì)多層膜構(gòu)成立方棱鏡分光鏡,設(shè)計(jì)角 ，可采用下列四種分光形式,10-9,10-10,10-11,10-12,圖10-10就是分光鏡（10-12）反射率和透射率特性曲線。與純金屬分光

14、膜和介質(zhì)分光膜相比較，性能改善很明顯,圖10-11是深圳飛萊特光電技術(shù)有限公司自聚焦中性分光鏡產(chǎn)品及特性曲線，其分光比為 ，最大誤差小于 。該產(chǎn)品雙窗口分光，入射光波長(zhǎng)在1260nm1630nm，分光中心波長(zhǎng) =131050和 =155050；單窗口分光波長(zhǎng)范圍1500nm1630nm。該分光鏡適用于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等，具有波長(zhǎng)相關(guān)損耗小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),10.2 雙色分光鏡 在光電彩色顯示系統(tǒng)及應(yīng)用中，都需要將光的三原色（紅、綠、藍(lán)）分離出來(lái)，比如彩色投影電視、顯示器、掃描儀、投影顯示、彩色印刷以及紡織品檢驗(yàn)等，采用的方法是雙色分光,根據(jù)光譜特性，一束白光是由紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三種波長(zhǎng)的光

15、構(gòu)成的復(fù)色光，波長(zhǎng)順序逐漸變短，所以可由兩個(gè)長(zhǎng)波通截止濾光片或者兩個(gè)短波通截止濾光片分離出三原色，圖10-12所示為長(zhǎng)波通截止濾光片分離出三原色,圖10-13所示為短波通截止濾光片分離出三原色，圖10-13（a）是平板分光幾何構(gòu)型，圖10-13（b）為兩個(gè)具有不同截止波長(zhǎng)的短波通截止濾光片透射特性曲線,由于截止濾光片可把光的光譜成分分離成兩部分，所以稱圖10-12（a）和圖10-13（a）構(gòu)型的分光為雙色分光鏡。實(shí)際上雙色分光鏡是由兩個(gè)截止濾光片構(gòu)成的，所以也有作者將雙色分光的內(nèi)容放在截止濾光片一章的應(yīng)用部分。 雙色分光除采用平板構(gòu)型外，也可采用棱鏡構(gòu)型。但光在 角入射時(shí),不管是平板雙色分光還

16、是棱鏡雙色分光都會(huì)產(chǎn)生偏振效應(yīng)，由此可影響色彩合成質(zhì)量，且棱鏡分光更為明顯。圖10-14給出相同膜系構(gòu)成的平板分光(a)圖,和棱鏡分光(b)圖)在入射角為 時(shí)透射特性偏振效應(yīng)曲線。為了便于比較，圖中也給出入射角 時(shí)的非偏振透射特性曲線。因?yàn)槔忡R折射率大于空氣折射率,相同角度 入射，棱鏡中膜系的折射角比平板分光鏡中的折射角大，所以棱鏡分光偏振效應(yīng)更為明顯,減小棱鏡分光偏振效應(yīng)的方法是合理設(shè)計(jì)分光棱鏡的構(gòu)型，使入射到膜層的入射角盡可能小。圖10-15所示為投影電視中使用的棱鏡分光實(shí)際光路圖，圖10-15（a）是投影電視系統(tǒng)中利用X棱鏡進(jìn)行雙色分光的光路圖，圖10-15（b）是飛利浦（Philips

17、）棱鏡在投影電視系統(tǒng)中用作雙色分光光路圖。這兩種分光系統(tǒng)偏振效應(yīng)很小，角偏移也很小。 實(shí)際上，雙色分光通常都選擇介質(zhì)多層膜干涉截止濾光片，因?yàn)榻橘|(zhì)膜幾乎無(wú)損耗，其次，介質(zhì)多層膜可任意選擇截止波長(zhǎng)。對(duì)于大,多數(shù)彩色分光元件一般都是在入射角 的傾斜情況下使用，而彩色擴(kuò)印機(jī)及彩色放大機(jī)的彩色鏡頭則是在入射角 的情況下使用，下面分別給出這兩組雙色分光介質(zhì)膜系的構(gòu)成實(shí)例及透射特性曲線,1.低色偏短波通分光膜系（ ） （a）反綠透藍(lán)膜系 膜系參數(shù)取 其透射特性曲線見圖10-16（a）。 （b）反紅透藍(lán)膜系,10-13,10-14,膜系參數(shù)取 其膜系透射特性曲線見圖10-16（b,2. 低色偏長(zhǎng)波通分光膜系

18、（ ） （a）反藍(lán)透紅膜系 膜系參數(shù)取 其膜系透射特性曲線見圖10-17（a）。 （b）反綠透紅膜系,10-15,10-16,膜系參數(shù)取 其膜系透射特性曲線見圖10-17（b,3. 紅、綠、藍(lán)三基色分光膜系（ ） （a）透藍(lán)反紅綠膜系（短波通截止濾光片） 膜系參數(shù)取 其膜系透射特性曲線見圖10-18,10-17,b）透綠反紅藍(lán)膜系（帶通濾光片,10-18,膜系參數(shù)取 其膜系透射特性曲線見圖10-18。 （c）透紅反藍(lán)綠膜系（長(zhǎng)波通截止濾光片） 膜系參數(shù)取 其膜系透射特性曲線見圖10-18,10-19,圖10-19是深圳飛萊特光電技術(shù)有限公司產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)三基色截止濾光片和帶通濾光片產(chǎn)品及實(shí)測(cè)濾

19、光片透射特性曲線。產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域包括: 數(shù)碼相機(jī)，數(shù)碼攝像機(jī)；投影機(jī)， 投影電視； CCD成像系統(tǒng)用濾光片等。產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn): 波長(zhǎng)精確，通帶透過(guò)率高，溫度穩(wěn)定性好。產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)： 紅濾光片,綠濾光片： 藍(lán)濾光片,10.3 偏振分光 光學(xué)各向異性晶體具有很好的偏振特性，比如單軸晶體方解石、石英、紅寶石等，這些晶體制成偏振光學(xué)器件在光學(xué)系統(tǒng)中廣泛使用,但由于光學(xué)晶體偏振特性適用的波長(zhǎng)范圍有限，且孔徑小，損耗大，某些實(shí)際應(yīng)用中在特定波段選擇光學(xué)晶體就不能滿足光學(xué)系統(tǒng)中的要求，而多層膜偏振分光可以在紫外、可見光和紅外都可獲得偏振光，具有低損耗和寬帶特性，因此給光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了方便。 10.3.1 偏振特

20、性的描述 根據(jù)光的偏振狀態(tài)可把光分為自然光、部分偏振光和線偏振光，自然光也稱非偏振光，線偏振光也稱全偏振光。為了衡量光偏振程度的大小，通常用偏振度P來(lái)描述，其定義為,反射光： 透射光： 式中 、 分別為P-波偏振的反射率和S-波偏振的反射率， 、 分別為P-波偏振的透射率和S-波偏振的透射率。 實(shí)際上就是兩個(gè)相互垂直的反射偏振分量的光強(qiáng)之和，而 是兩個(gè)相互垂直的透射偏振分量的光,10-20,10-21,強(qiáng)之和， 和 分別為兩個(gè)相互垂直的反射偏振分量的光強(qiáng)之差和透射偏振分量的光強(qiáng)之差。 有時(shí)也把偏振度稱之為消光比， 為消光比的最大值，屬完全消光，表明在垂直于傳播方向的橫平面內(nèi)僅存在一個(gè)方向的線偏

21、振光，相互垂直的另外一個(gè)方向的偏振光消失； 而 ，表明無(wú)消光。如果 ，則屬于部分消光，表明兩個(gè)相互垂直方向偏振光的強(qiáng)度不等。 對(duì)于自然光，由于在垂直于光傳播的方向,上電場(chǎng)振幅大小相等，即光強(qiáng)的橫向分布具有軸對(duì)稱性，因此，自然光的偏振度 。 當(dāng)自然光斜入射到兩介質(zhì)分界面或膜系時(shí)，一般情況下P-波偏振和S-波偏振的反射率 、 和透射率 、 并不相等，即 ， ，由定義式（10-20）和式（10-21）可知， ，這種光稱之為部分偏振光。 特殊情況是：反射光 ，偏振度 ，則反射光也是自然光；透射光 ， ，表明透射光也是自然光；反射光 或 ， ，即反射光為線偏振光,透射光 或 ， ，則透射光為線偏振光。

22、10.3.2 平板偏振分光鏡 1.單層膜平板偏振分光 當(dāng)自然光入射到兩種介質(zhì)分界面時(shí)，如果入射角滿足布儒斯特條件（2-207）式或（2-208）式，即 或 式中 和 分別為入射介質(zhì)和透射介質(zhì)的折射率， 為布儒斯特角。那么，P-波偏振的反,10-22,射率為零，S-波偏振的反射率不為零，透射率也不為零，即S-波偏振部分反射，部分透射。 如果玻璃平板表面不鍍膜，自然光由空氣（ ）入射到玻璃（ ），由式（10-22）計(jì)算可得P-波反射為零的條件是 ，而光從玻璃（ ）入射到空氣（ ），P-波反射為零的條件是 ，如圖10-20（a）所示。 因?yàn)閱纹桨宀ＡМa(chǎn)生的透射偏振光偏振度很低，為了獲得偏振度接近于

23、1的透射偏振光，通常的做法是把許多玻璃平板疊放在一起,當(dāng)自然光以布儒斯特角入射到玻璃表面時(shí)，每片玻璃的兩個(gè)表面都反射S-波偏振分量，致使最后透射的光趨于偏振度接近于1的線偏振光，這就是片堆偏振器或稱片堆偏振分光鏡,玻璃片堆偏振分光存在兩個(gè)缺點(diǎn)：即使玻璃片疊放的數(shù)目很大，透射光的偏振度也不會(huì)很高，且隨玻璃片數(shù)目的增加透射偏振光的強(qiáng)度變小；玻璃片疊放的數(shù)目越多，偏振分光鏡的體積越大。 為了克服玻璃片堆分光鏡的缺點(diǎn)，通常是在玻璃平板的兩個(gè)表面鍍膜，如圖10-20（b）所示。假設(shè)入射介質(zhì)為空氣， ，膜層折射率為 ，基底玻璃折射率為 ，取單層膜光學(xué)厚度,10-23,則相位厚度 根據(jù)式（3-61）可寫出膜

24、系 在斜入射時(shí)的特征向量為 對(duì)于P-波,10-24,10-25,10-26,由此可寫出單層膜系光學(xué)等效導(dǎo)納為 欲使單層膜系的P-波反射為零，根據(jù)式（3-65），有 對(duì)于P-波 利用折射定律,10-27,10-28,10-29,10-30,聯(lián)立求解，可得膜系偏振角 滿足的方程為 比如 代入式（10-31），可得 求解可得 圖10-21給出了平板玻璃和三種鍍膜平板玻璃分光疊放數(shù)目與透射P-波偏振光偏振度,10-31,的關(guān)系曲線。由圖可見，玻璃表面鍍膜構(gòu)成的平板偏振分光鏡比玻璃平板偏振分光的效果要好，且薄膜材料的折射率越大，偏振分光的效果越好，需要疊放的平板數(shù)目也越少,2.對(duì)稱周期多層膜平板偏振分光

25、 對(duì)稱周期多層膜平板偏振分光是在玻璃平板表面鍍高低折射率對(duì)稱周期多層膜，其構(gòu)型如圖10-22所示，膜系基本結(jié)構(gòu)為 或 通常入射介質(zhì)為空氣,10-32,10-33,與單層膜平板偏振分光不同，對(duì)稱周期多層膜平板偏振分光入射角 可供選擇，比如可取基底介質(zhì)界面的布儒斯特角,也可取膜系頂層介質(zhì)界面的布儒斯特角。此外,單層膜平板偏振分光膜層光學(xué)厚度取 包含了因子 ，而對(duì)稱周期多層膜平板偏振分光膜層光學(xué)厚度可取 式中 為中心波長(zhǎng)。當(dāng)膜層周期數(shù)很大時(shí)，在中心波長(zhǎng) 處及其鄰近透射光的偏振度很高,10-34,而遠(yuǎn)離中心波長(zhǎng)處的偏振度很小。要使偏振光具有寬帶特性，應(yīng)選擇比值 盡量大的材料配對(duì)以及增大入射角。 圖10

26、-23是對(duì)稱周期多層膜平板偏振分光膜系 的透射特性曲線，其中 ， ， ， ，中心波長(zhǎng) ， 膜層的光學(xué)厚度可選擇大于,10-35,由圖可見，對(duì)稱周期多層膜平板偏振分光偏振帶寬很窄，這是一大缺點(diǎn)。 圖10-24是用于倍頻激光器的平板偏振分光鏡實(shí)測(cè)透射特性曲線，分光膜系為,10-36,其中 ， ，高折射率材料選擇二氧化鈰（ ） ，低折射率材料選擇氟化鎂（ ） ,中心波長(zhǎng)選擇 和 。當(dāng)光以 入射時(shí)，平板偏振分光在基波波長(zhǎng) 處和倍頻波長(zhǎng) 處透射光出現(xiàn)接近于1的線偏振光。 10.3.3 棱鏡偏振分光 棱鏡偏振分光鏡是在兩個(gè)底角為 的玻璃直角棱鏡斜面上鍍高低折射率四分之一周期,多層膜，然后膠合在一起，其構(gòu)型

27、如圖10-25所示,棱鏡偏振分光鏡看作是入射介質(zhì)和基底介質(zhì)為玻璃的膜系，可表為 或者,10-37,10-38,其中 為玻璃的折射率，兩介質(zhì)折射率分別為 和 。 棱鏡偏振分光與玻璃平板分光一樣，也是利用布儒斯特條件。如果構(gòu)成膜系的兩介質(zhì)分界面上都滿足布儒斯特角條件，由式（2-39）可知，P-波產(chǎn)生零反射的條件為 和 分別為高低折射率介質(zhì)分界面兩側(cè)的光學(xué)等效導(dǎo)納。根據(jù)式（2-38），有,10-39,10-40,式中 和 分別為高低折射率介質(zhì)中的透射角，滿足折射定律 其中 為入射角。式（10-40）和式（10-41）聯(lián)立求解，可得 這就是棱鏡偏振分光所必須滿足的條件。當(dāng)構(gòu)成膜系的介質(zhì)確定之后， 和

28、取定值，滿足布儒斯特條件需要確定入射介質(zhì)的折射率 和,10-41,10-42,入射角 。這就需要分兩種情況考慮： (1). 假設(shè)入射角 ，由式（10-42）可得 比如 ， ，則滿足布儒斯特條件需要選用棱鏡玻璃的折射率為 。在此需要說(shuō)明的是即使入射角取 ，只要 ， ，由式（10-42）得到的 一定大于1.0。 對(duì)于對(duì)稱周期多層膜平板偏振分光，入射介質(zhì)為空氣， ，不可能滿足式（10-42,10-43,所以對(duì)稱周期多層膜平板偏振分光不能利用布儒斯特條件。 2. 假設(shè)選擇棱鏡玻璃折射率 ，由式（10-42），有 比如高折射率介質(zhì)選擇硫化鋅(ZnS) ，低折射率介質(zhì)選擇冰晶石( ) ，計(jì)算可得 ，這就是

29、滿足布儒斯特條件需要選用的入射角,10-44,圖10-26（a）是選擇 ，玻璃棱鏡折射率 ,高折射率材料選擇硫化鋅 ，低折射率材料選擇冰晶石 ，中心波長(zhǎng) ，由膜系 計(jì)算得到的棱鏡偏振分光透射特性曲線。為了便于比較，圖10-26（b）是 時(shí)的計(jì)算結(jié)果。由圖可見，當(dāng)入射光以 入射時(shí)，在可見光波段，透射光的偏振度很高， 。 可是當(dāng)入射角變化到 時(shí)，可見光波段P,10-45,波透射率產(chǎn)生明顯變化，出現(xiàn)有一定深度的反射帶，致使在可見光波段的偏振度降低。由此說(shuō)明，棱鏡偏振分光鏡對(duì)入射角特別敏感,圖10-27為深圳飛萊特光電技術(shù)有限公司偏振分光棱鏡產(chǎn)品及特性曲線。該產(chǎn)品具有分光比高，角度精確，性能穩(wěn)定等特點(diǎn)

30、，可應(yīng)用于投影儀等,10.3.4 寬角寬帶偏振分光 平板偏振分光帶寬很窄，而棱鏡偏振分光對(duì)入射角非常敏感，兩者都不具有寬角和寬帶特性。但是在實(shí)際應(yīng)用中，比如液晶投影電視、光開關(guān)、光環(huán)形器和光隔離器等光學(xué)元件中都要求偏振分光具有高的消光比、寬角度入射和寬帶特性。因此，研究體積小且具有寬角寬帶特性的偏振分光鏡仍然是需要解決的技術(shù)難點(diǎn)。下面介紹兩種方法。 1. 兩個(gè)高低折射率非1/4波長(zhǎng)周期多層膜系疊加,對(duì)稱周期多層膜平板偏振分光和棱鏡偏振分光的膜系構(gòu)成都采用兩種介質(zhì)，兩介質(zhì)分界面存在一個(gè)偏振角-即布儒斯特角。如果棱鏡偏振分光膜系采用三種材料，可構(gòu)成兩個(gè)周期多層膜，那么就存在兩個(gè)偏振角。 比如選擇三

31、種材料:二氧化鈦( ) 、二氧化硅（ ） 和三 氧化二鋁( ) 。由此可構(gòu)成兩個(gè)高低折射率1/4波長(zhǎng)周期多層膜 其中選擇 ，玻璃棱鏡選擇SF57玻璃,10-46,那么，兩個(gè)膜系高低折射率介質(zhì)分界面存在兩個(gè)偏振角為 ， 。如果將兩個(gè)膜系疊加在一起構(gòu)成膜系 就可構(gòu)成寬角寬帶偏振分光鏡。 實(shí)際應(yīng)用中，棱鏡偏振分光膜系（10-47）的寬角寬帶特性并不是十分理想，采用的辦法是把四分之一波長(zhǎng)膜層光學(xué)厚度調(diào)整為非四分之一波長(zhǎng)。比如，將膜系（10-47）調(diào)整為,10-47,10-48,圖10-28給出了膜系（10-48）取周期 ，中心波長(zhǎng) 時(shí)計(jì)算得到的透射偏振光隨入射角度變化曲線。 由圖可見，三種材料構(gòu)成的棱

32、鏡偏振分光鏡（10-48）在可見光波段 ，可實(shí)現(xiàn)寬角寬帶偏振分光。 為了進(jìn)一步加大入射角范圍并拓寬偏振帶寬，可采用多個(gè)高低折射率非1/4波長(zhǎng)周期多層膜系構(gòu)成棱鏡偏振分光鏡。圖10-29所示為深圳市飛萊特光電技術(shù)有限公司寬角寬帶棱鏡偏振分光鏡透射偏振光實(shí)測(cè)特性曲線,亞波長(zhǎng)金屬納米光柵偏振分光 10.4 消偏振分光 當(dāng)光斜入射時(shí)，前面各章節(jié)討論的濾光片：增透膜、高反射鏡、帶通濾光片、截止濾光片和中性分光，由于構(gòu)成濾光片膜系膜層的光學(xué)有效導(dǎo)納對(duì)于P-波偏振和S-波偏振不同，必然會(huì)產(chǎn)生偏振效應(yīng)，這種偏振效應(yīng)使中心波長(zhǎng)的位置向短波方向移動(dòng)，甚至造成帶通濾光片通帶變形，截止濾光片過(guò)渡帶變寬等，如果不解決這

33、些問(wèn)題，應(yīng)用中必會(huì)造成光學(xué)系統(tǒng)性能的劣變,10.4 消偏振分光,因此，對(duì)于大多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要消除或減小濾光片的偏振效應(yīng)。理想的消偏振設(shè)計(jì)，在膜層沒(méi)有吸收的情況下，P-波偏振光和S-波偏振光應(yīng)具有相同的反射和透射特性。但是光學(xué)薄膜的消偏振設(shè)計(jì)仍然是一個(gè)棘手問(wèn)題，研究表明沒(méi)有可適用的一般性方法，而消偏振分光具有代表性，也最為困難。 10.4.1 偏振分離的描述 由于沒(méi)有一般性方法，偏振分離的描述是根據(jù)不同膜系而提出的，并具有針對(duì)性，比如特定角度入射，特定波長(zhǎng)和特定膜系構(gòu)型,偏振分離的描述都是找出在特定情況下等效導(dǎo)納與構(gòu)成膜系膜層折射率之間的關(guān)系，然后再利用單界面偏振分離把各膜層偏振分離體現(xiàn)出

34、來(lái)。 1.單界面偏振分離 對(duì)于兩介質(zhì)分界面的反射和透射，由式（2-17）和式（2-36）可知，當(dāng)引入光學(xué)有效導(dǎo)納 S-波偏振： 和 P-波偏振,10-50,10-51,之后，P-波偏振和S-波偏振反射系數(shù)具有相同形式，僅差一負(fù)號(hào)。由此可見，P-波偏振和S-波偏振光學(xué)有效導(dǎo)納的差異導(dǎo)致反射和透射P-波和S-波特性的差異，通常用兩個(gè)量的比值來(lái)衡量介質(zhì)中的偏振分離程度，其定義為 如果 ，介質(zhì)中無(wú)偏振分離； 或 ，介質(zhì)中存在偏振分離。 對(duì)于兩介質(zhì)單界面反射與透射，假設(shè)入射,10-52,介質(zhì)折射率為 ，透射基底介質(zhì)折射率為 ，光波入射角為 ，透射角為 ，利用斯涅爾折射定律 代入得到基底介質(zhì)中的偏振分離為

35、 取 ， ，光從光疏介質(zhì)入射到光密介質(zhì),根據(jù)式(10-54)可得如圖10-32所示 曲線1(實(shí)線),由圖可見,在 角范圍內(nèi),10-53,10-54,單界面不存在 的點(diǎn)。 如果取 ， ，光從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)，由式（10-54）可得圖10-32所示的曲線2（虛線），在 角范圍內(nèi)， ，而在 角范圍內(nèi)， ， 為分界點(diǎn)， 。由式（10-52）可知，光從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)也不存在 的點(diǎn)。由此得出結(jié)論，單界面不可能實(shí)現(xiàn)消偏振,2.單層膜偏振分離 如果在基底介質(zhì)表面鍍單層膜，膜系構(gòu)成為 在垂直入射的情況下，根據(jù)式（3-61）可得膜系光學(xué)等效導(dǎo)納為 由此可定義膜系（10-55）等效膜層中的偏振分離為,

36、10-55,10-56,10-57,如果 ，無(wú)偏振分離，則有 由斯涅爾折射定律 代入式（10-52），可得,10-58,10-59,10-60,10-61,假設(shè)入射介質(zhì)為空氣 ，入射角為 ，則有 則 消偏振條件為,10-62,10-63,3.兩介質(zhì)對(duì)稱周期膜系偏振分離 對(duì)于對(duì)稱周期膜系 由8.3.3可知，膜系（10-64）對(duì)稱周期膜層的等效導(dǎo)納為 式中,10-64,10-65,10-66,在垂直入射的情況下， ， ，取 ，代入得到 由此可定義膜系（10-64）等效膜層中的偏振分離為 在 ，即 處消偏振的條件是 ，即,10-67,10-68,10-69,由式（10-52）可得 代入式（10-69

37、），有 假設(shè)入射介質(zhì)為空氣 ，入射角為,10-70,10-71,則有 這就是在 處消偏振的條件，當(dāng) 給定之后，就可求解得到 。展開式（10-72）取近似，有 近似滿足消偏振條件（10-73）的材料配對(duì)有硫化鋅/氟化鎂( )和鍺/硫化鋅(,10-72,10-73,需要強(qiáng)調(diào)的是（10-65）式給出的等效導(dǎo)納是膜系（10-64）對(duì)稱周期膜層的等效導(dǎo)納，并不包含基底介質(zhì)，所以消偏振條件式（10-71）式（10-73）并不能對(duì)膜系（10-64）在 處消偏振。 4. 四分之一波長(zhǎng)多層膜偏振分離 假設(shè)膜系構(gòu)成有 層，每層介質(zhì)折射率記作 ，膜層光學(xué)厚度均為 ，入射介質(zhì)折射率為 ，基底介質(zhì)折射率為 ，則膜系可表

38、示為,10-74,根據(jù)式（3-61）可寫出膜系（10-74）的特征向量為 當(dāng)相位厚度 取 時(shí)，有,10-75,10-76,10-77,下面就特征矩陣的計(jì)算分兩種情況考慮： （1）. 膜層數(shù)取偶數(shù)層 ，則有 由此可寫出膜系等效導(dǎo)納為 根據(jù)式（3-66）可寫出膜系反射率為,10-78,10-79,10-80,膜系透射率 令 則反射率和透射率可簡(jiǎn)化為,10-81,10-82,10-83,2). 膜層數(shù)取奇數(shù)層 ，則有,10-84,膜系等效導(dǎo)納 反射率和透射率為 令,10-85,10-86,10-87,10-88,則有 顯然，不管膜層數(shù)取偶數(shù)還是膜層數(shù)取奇數(shù)，反射率和透射率表達(dá)式具有相同形式，僅是X的

39、表達(dá)形式不同而已。 如果膜系無(wú)偏振效應(yīng)，P-波偏振和S-波偏振的反射率和透射率必須相等，即,10-89,10-90,由此可得 在垂直入射的情況下，有 代入式（10-82）和式（10-88），有,10-91,10-92,10-93,由此可定義膜系（10-74）等效膜層中的偏振分離為 為膜系（10-74）在中心波長(zhǎng) 處的消偏振條件。 10.4.2 介質(zhì)膜消偏振分光設(shè)計(jì)實(shí)例 根據(jù)10.4.1節(jié)介紹的偏振分離描述的方法，在特定入射角和特定波長(zhǎng)的條件下，可設(shè),10-94,計(jì)消偏振介質(zhì)分光鏡，下面舉例說(shuō)明實(shí)現(xiàn)過(guò)程。 例1 對(duì)稱多層膜平板消偏振分光。 平板消偏振分光可選擇膜系構(gòu)成為 入射介質(zhì)為空氣 ，基底介

40、質(zhì)折射率選擇 ，中心波長(zhǎng)為 。假設(shè)入射角為 ，那么，消偏振的近似條件是（10-73）式，即 由于是在紅外波段，滿足消偏振條件的材料配,對(duì)可選擇鍺（Ge） 和硫化鋅（ZnS） 。但是消偏振條件定位在 ，這樣對(duì)稱膜層光學(xué)厚度為 的半波長(zhǎng)整數(shù)倍，屬無(wú)效層。因此可取 ，則平板消偏振紅外分光膜系構(gòu)成可調(diào)整為 該平板消偏振分光膜系的透射特性曲線如圖10-33（a）中的虛線所示。由圖可見，由于消偏振條件（10-73）式?jīng)]有包含入射介質(zhì)的消偏振和基底介質(zhì)的消偏振，所以消偏振效果不理想,10-95,對(duì)于入射介質(zhì)消偏振是在膜層頂端加鍍一層光學(xué)厚度為 的低折射率膜層膜層，折射率為 。而基底介質(zhì)消偏振是在基底介,質(zhì)表

41、面鍍光學(xué)厚度為 、折射率為 的膜層， 滿足單層膜 消偏振條件（10-36）式，即 求解取值約為 。由此可構(gòu)成平板消偏振紅外分光膜系為 圖10-33（a）中的實(shí)線即為平板消偏振紅外分光膜系（10-96）的透射特性曲線。由圖可見,10-96,在中心波長(zhǎng) 鄰近處消偏振效果非常好，在垂直入射 到 的入射角范圍內(nèi)， 和 之差小于1%，且由于基底介質(zhì)表面和膜系頂端加了匹配層，增透效果也特別明顯。 例2 四分之一波長(zhǎng)多層膜棱鏡消偏振分光。 對(duì)稱多層膜消偏振平板分光膜系構(gòu)成（10-96）雖然有四種鍍膜材料，但膜層數(shù)較少，要滿足消偏振條件有一定局限性，且消偏振帶寬窄，效果并不理想。如果采用四分之一波長(zhǎng)多層膜(1

42、0-74)構(gòu)成棱鏡消偏振分光膜系，可實(shí)現(xiàn)寬帶消偏振分光，且消偏振效果更好,假設(shè)四分之一波長(zhǎng)多層膜棱鏡消偏振分光膜系構(gòu)成為 膜系入射介質(zhì)和基底介質(zhì)均為玻璃 ，膜層數(shù)取奇數(shù) ，中心波長(zhǎng) ，選擇膜層折射率為,10-97,10-98,則膜系（10-97）可改寫為 由消偏振條件（10-94），令 ，可得 式（10-100）就是選擇膜層折射率所滿足的消偏振條件，將式,10-99,10-100,10-101,和 代入式（10-100），并取 ， ，求解取值 代入（10-101），得到 代入式（10-100），有,顯然 ，膜系（10-99）滿足消偏振條件。為了取得更好的消偏振效果，展寬中心波長(zhǎng)處的消偏振帶寬，

43、把膜系（10-99）中奇數(shù)層的位置進(jìn)行互換，改為 圖10-33（b）就是棱鏡消偏振分光膜系（10-102）的反射特性曲線。如果取膜層 ，調(diào)整膜系（10-99）為,10-102,10-103,此膜系得到的消偏振帶寬更寬，消偏振效果更好,例3 三波長(zhǎng)寬角度平板消偏振分光。（略） 10.4.3 金屬-介質(zhì)膜消偏振分光設(shè)計(jì)實(shí)例 介質(zhì)膜消偏振分光具有兩大缺點(diǎn)：消偏振帶寬窄；對(duì)入射角變化特別敏感。 此外，即使能夠得到比較寬的帶寬，消偏振膜系構(gòu)成也很復(fù)雜，比如膜系（10-108），由三種材料40層非四分之一波長(zhǎng)多層膜構(gòu)成，使制鍍成本大大增加。 如果采用金屬-介質(zhì)膜消偏振分光，由于金屬膜中性好，對(duì)入射角不敏感，相對(duì)于單純,介質(zhì)膜消偏振分光效果更好，可實(shí)現(xiàn)寬角寬帶消偏振分光，分光比易于調(diào)節(jié)，且膜系構(gòu)成簡(jiǎn)單易于制鍍。 在可見光波段，銀膜（ ）具有吸收小、反射帶寬和斜入射偏振效應(yīng)小的優(yōu)點(diǎn)，因此一般情況下消偏振分光鏡都用銀膜與介質(zhì)膜匹配設(shè)計(jì)寬角寬帶消偏振分光鏡。分光比可通過(guò)銀膜的厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)，比如 ，銀膜厚度約為24nm， ，銀膜厚度約為36nm。下面給出兩個(gè)消偏振分光鏡