消偏振分光镜的设计与特性分析

【摘要】： 当光线倾斜入射时,膜层不可避免地会产生偏振效应,尤其是封闭在胶合棱镜内的膜层更是如此。在很多实际应用中,这种偏振效应是有害的,因此必须消除。迄今为止,能够在振幅和相位两个参量都达到消偏振效果的消偏振分光棱镜(Non-polarizing Beam Splitters:NPBSs)尚未见报道,消偏振分光镜反射相移的问题一直被忽视。此外,目前见于报道的相关研究多集中于可见光波段,但随着现代光学技术的发展,对于红外波段的NPBSs的工程需求日益增长。目前的研究状态显然不能满足工程实际的需求。第三,目前已见报道的NPBSs的光谱带宽最多到200nm,远不能满足某些工程需求。论文针对上述三个问题开展了研究与探索,因此论文的选题具有一定的理论意义和重要的实际应用价值。 论文详细地综述了消偏振膜系的研究发展和多种消偏振技术手段,特别是Gilo的消偏振分光器设计思想;利用特征矩阵计算方法,对可见波段的消偏振膜系进行了验证,为红外消偏振分光膜系的设计奠定了基础。 论文重点研究了NPBS的相位特性,设计出了振幅和相位两个参量都达到要求的NPBS;探讨了将工作波长外推至红外波段的设计方法并成功地提出了6种设计方案;探讨了拓宽NPBSs带宽的设计方法并实现了具有300nm谱宽的NPBSs设计。 论文所作的研究工作总结如下: 1.设计了分别以ZF-7玻璃、K9玻璃为基底材料的新型红外波段消偏振膜系。根据受抑全反射原理设计的消偏振膜系及金属-介质消偏振膜系可以满足分光比消偏振的要求,但是反射相移有些偏大。 2.首次研究了非对称结构的NPBS,提出了2种不同的结构设计,利用Needle法对膜系进行了优化,优化后2个偏振分量都实现了50%反射、50%透射的目标,且其偏差不超过2%,带宽为20nm。分析了硫化锌(ZnS)、氧化铝(Al_2O_3)、二氧化硅(SiO_2)构成的NPBS的性能,分析了入射角、膜材料折射率的改变对消偏振性能的影响。 3.在分析了受抑全反射的相位特性的基础上,提出了基于受抑全反射原理的消偏振条件新的分析方法,设计了超宽波段NPBS。由K9玻璃和氟化镁(MgF_2)构成的NPBS在400nm-700nm之间p-分量、s-分量的反射率与目标反射率50%的偏差均小于2%,但600nm处p-分量的反射率和s-分量的反射率之间偏差超过了2%,为2.30%,此设计最大的优点就是膜系的层数较少,膜系仅8层。 4.文中最后研究、设计了金属—介质膜的NPBS,给出了全新的可见光波段和红外波段2种消偏振膜系设计方案。可见波段NPBS消偏振带宽达100nm,在分光比和反射相移2个方面都达到了消偏振的效果;红外波段NPBS的反射相移完全满足式我们所要求的目标,2个分量之间的反射率偏差在1260nm附近较大,为2.169%,2个分量的反射率与目标反射率之间的偏差都小于2%,基本都满足设计要求。满足设计指标的消偏振带宽达80nm,在分光比和反射相移2个方面均已达到了消偏振的效果。 根据正交共轭反射镜电流传感器研究的实际需要研制出了红外NPBS,实验测量结果为分光比接近1:1,反射相移小于5度,表明该NPBS的设计方案可行。