一种消偏振的平板薄膜截止滤光片的制作方法

1.本发明涉及光学薄膜技术领域，尤其是一种消偏振的平板薄膜截止滤光片。


背景技术：

2.随着光通信技术和容量的发展宽带可调谐滤波器在密集波分复用系统和光交换网络中的应用需求越来越高。在空间激光通信基础上发展起来的空间量子通信技术，是当前研究的热门。在量子通信过程中，量子密钥分发的信息载体为线偏振光的不同偏振态，因此在光路中必须尽可能消除薄膜因为倾斜入射产生的偏振效应。
3.常规的短波通或长波通截止滤光片的初始结构分别是g(0.5lh0.5l）pa和g(0.5hl0.5h）pa。这里的g和a分别表示平板基底和空气，h和l分别代表高低折射率材料的四分之一光学厚度，p为周期数。基于此初始结构的截止滤光片迄今为止有着广泛的应用。但在大角度倾斜入射时，过渡带处p-和s-偏振分离非常严重，因此无法满足日益增加的角度要求，已就此急需找到一种新的薄膜设计方法。
4.多腔窄带薄膜滤光片膜系设计方法具有插入损耗低、温度不敏感和矩形度高等诸多优点，因此在光通信领域得到了广泛的应用。但当薄膜滤光片处于倾斜入射时，其间隔层等效光学厚度的降低会导致其透射的中心波长向短波方向发生漂移。同时其p偏振光的中心波长与s偏振光的中心波长出现明显的分离，从而导致平均光产生严重的偏振相关损耗并限制滤光片的倾斜入射角度。在前面所提到的偏振效应，是指光倾斜入射在薄膜上时，通常会产生p-和s-偏振分量之间的分离。因此要求设计45
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入射的短波通或长波通截止滤光片的时候，要求薄膜可以分离两个相近波长，使得其中一个波长高反射，另一个波长高透射，并要求过渡带p-和s-偏振光在50%透过率处的偏振光谱分离尽可能小。
5.多腔窄带薄膜滤光片膜系设计方法解决了一部分的偏振效应，但这种方法的缺陷也是显著的。首先，由于间隔层的级次较高，使得薄膜的整体厚度很厚，不利于实际制备。其次，透过带和截止带的宽度依然不够宽，在某些情况下可能将不再适用。最后，当h和l折射率不匹配时，可能会出现无法消除过渡带处p-和s-偏振分离量的情况以及无法量产的问题。
6.申请公布号为cn109683225a专利名为一种用于消偏振的平板薄膜截止滤光片的专利，对于采用g（a（hl） b（hl））^p a这种膜系结构的设计来说，比较容易设计出短波通长波截止的光谱，此光谱当中的ps光在短波处的偏移量小于1nm，但对于长波通要求的光谱就不太适用，因为此膜系在长波处的偏移量大于15nm的，强制优化会改变膜系本身的结构，增加膜系制备的难度。由此提出了下面的新的膜系结构，此种膜系结构对于长波的偏移量很小，一般可小于1nm。初始结构给出后，在稍微不破坏基本结构的情况下，可以得到更好的设计，降低了镀膜的难度。


技术实现要素：

7.为了克服现有的不足，本发明提供了一种消偏振的平板薄膜截止滤光片。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种消偏振的平板薄膜截止滤光片，包括沉积在平板基底上的薄膜，所述薄膜的基本周期结构为：(ahbmclbmah)^p；其中，h代表四分之一光学厚度的高折射率膜层，m代表中四分之一光学厚度的中折射率膜层，l代表四分之一光学厚度的低折射率膜层，p为周期数；a为薄膜结构h的倍数，b为薄膜结构m的倍数，c为薄膜结构l的倍数，p为周期数。
9.根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述薄膜通过调整a、b、c的相对比例来调整倾斜入射时过渡带p-和s-在50%透过率处的偏振光谱分离量和调整透过带和截止带的宽度，直至完全消偏振。
10.根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述薄膜通过调整h、m、l膜层数来调整p光和s光偏移量的大小。
11.根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述薄膜沉积的基底是平板形状。
12.根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述薄膜的初始结构为：g(ahbmclbmah)^pla；其中，g为别表示平板基底，a为空气。
13.本发明的有益效果是，对于平板基底，可有效消除任意入射角度下，过渡带p-和s-在50%透过率处的偏振光谱分离量；通过基本周期结构中的系数，可以很方便的调整p光和s光偏移量的大小；通过基本周期结构中的膜层数，可以很方便的调整透过带和截止带的宽度；本发明方法简单易行，利用计算机，借助于任何常规薄膜设计软件即可完成；本发明方法针对性强，适用范围广、品质高，此方法适用于当前光学薄膜行业的所有介质薄膜材料；设计得到的膜系，不包含极厚层，膜层总厚度较薄，有利于精确制备，有利于大幅度提升产品的良品率。
附图说明
14.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
15.图1是示意性给出用于消偏振的薄膜截止滤光片基本周期结构示意图；图2是45
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入射时，初始结构g(0.70h 0.8m 1.2l 0.8m 0.70h)^20la的光谱曲线；图3是45
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入射时，初始结构g(0.75h 0.8m 1.2l 0.8m 0.75h)^30la的光谱曲线；图4是45
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入射时，初始结构g(0.75h 0.8m 1.2l 0.8m 0.75h)^20la的设计曲线；图5是45
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入射时，初始结构g(0.75h 0.8m 1.2l 0.8m 0.75h)^20la的实测曲线。
具体实施方式
16.一种消偏振的平板薄膜截止滤光片，包括沉积在平板基底上的薄膜，所述薄膜的基本周期结构为：(ahbmclbmah)^p；其中，h代表四分之一光学厚度的高折射率膜层，m代表中四分之一光学厚度的中折射率膜层，l代表四分之一光学厚度的低折射率膜层，p为周期数；a为薄膜结构h的倍数，b为薄膜结构m的倍数，c为薄膜结构l的倍数，p为周期数。
17.根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述薄膜通过调整a、b、c的相对比例来调整倾斜入射时过渡带p-和s-在50%透过率处的偏振光谱分离量和调整透过带和截止带的宽度，直至完全消偏振。
18.根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述薄膜通过调整h、m、l膜层数来调整p光和s光偏移量的大小。
19.根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述薄膜沉积的基底是平板形状，而不是棱镜。
20.根据本发明的另一个实施例，进一步包括，所述薄膜的初始结构为：g(ahbmclbmah)^pla；其中，g为别表示平板基底，a为空气。
21.依据以上方法得出膜系初始结构后，利用当前任何一款膜系设计软件，都可以快速的得到所需要的消偏振的平板薄膜截止滤光片。
22.实施例1：量子通信中，需要在45
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入射情况下，分离1040nm和1080nm两个波长，使得1040nm的反射率大于99%，1080nm的透过率大于98%，同时要求过渡带的p-和s-在50%透过率处的偏振光谱分离量小于1nm。
23.根据薄膜的基本周期结构为：(ahbmclbmah)^p，用l代表sio2，折射率设为1.45，h为ta2o5，折射率为2.21，m为al2o3，折射率为1.65这是工业中最常见的介质薄膜材料，基底g为最常用的h-k9l，入射介质a为空气，此处不考虑薄膜和基底的吸收。
24.给出初始结构：g(ahbmclbmah)^pla，暂时取a=0.7，b=0.8，c=1.2，p=20，参考波长取1064nm，得到如图2所示的光谱。可以发现过渡带的p-和s-在50%透过率处的偏振光谱分离量已经较小，但1040nm附近的反射率不够高。
25.因此，进一步调整参数为：a=0.75，b=0.8，c=1.2，p=30， 参考波长取1064nm，得到如图3所示的光谱。可以发现过渡带的p-和s-在50%透过率处的偏振光谱分离量几乎为0，同时，1040nm附近的反射率也足够高了。
26.到此为止，可以认为找到了合适的薄膜初始结构：g(0.75h 0.8m 1.2l 0.8m 0.75h)^30la。
27.依此为基础，运用任何薄膜设计软件，可以得到理想的消偏振长波通，设计曲线为图4，而图5为以g(0.75h 0.8m 1.2l 0.8m 0.75h)^30la为基础，优化得到的最终结果。可以发现1040nm的反射率大于99.2%，1080nm的透过率大于99.1%，过渡带的p-和s-在50%透过率处的偏振光谱分离量为0.9nm。完全满足使用需求。
28.以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。