一种超宽带立方棱镜偏振分光器及其制备方法与流程

本发明属于光学干涉薄膜领域，具体涉及一种超宽带立方棱镜偏振分光器及其制备方法。

背景技术：

1、偏振分光器的种类繁多、应用广泛，且不管双折射晶体或光纤等构成的偏振分光器，仅在光学干涉薄膜中，就有许多种类，从形状看有平板和棱镜两大类，从特性看有窄带和宽带两大类，而在这些大类中还可包含若干细分，例如，在棱镜中又有立方棱镜、斜方棱镜和梯形棱镜等之分，以适应各种各样不同要求的应用。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种超宽带立方棱镜偏振分光器及其制备方法，超宽带立方棱镜偏振分光器用于扩展可见-近红外分光光度计的测试功能，以精确测量倾斜入射样品的透射率和反射率。

2、本发明试图实现超宽带偏振分光，由于平板的偏振效应相比于棱镜要小许多，其偏振原理也有别于棱镜，这使平板的偏振带宽都小于40nm，所以下面不对平板偏振分光器进行讨论。在棱镜偏振分光器中，立方棱镜相比于其他棱镜具有设计制造方便、安装固定简单和性能优良、特别是像差最小等优点，于是得到最广泛的应用，所以下面仅分析讨论如图1所示的立方棱镜偏振分光器。

3、立方棱镜偏振分光器最早由macnelle提出，并由banning首先实际制备，其原理是：在确定的入射角和基底折射率下，可以寻找出满足布儒斯特角(以下简称布角)的高、低折射率两种薄膜的折射率值；或反之，已知两种薄膜的折射率值，求出满足布角条1件的入射角和基底折射率，这种方法统称布角方法。依据布角的定义，一旦两种薄膜界面同时满足布角条件，则p偏振光在各薄膜界面上的反射率都等于零，而s偏振光的反射率仍比较大，于是，当自然光穿过足够多的满足布角条件的薄膜表面后，透射率tp＝1，而反射率rs也等于1，产生偏振分光。图2是这种立方棱镜偏振分光器的分光原理放大示意图。

4、根据正弦定律和布角条件可以得出下面计算公式：

5、

6、式中，ng和θg分别表示棱镜玻璃基底的折射率和自然光对偏振分光膜的入射角，nh和nl分别是偏振分光膜高、低两种折射率膜的折射率。

7、若棱镜选用k9玻璃，其折射率ng＝1.52，当θg＝45°时，如选用折射率nl＝1.38的优质mgf2作为低折射率膜，则高折射率膜的折射率nh应等于1.7。遗憾的是，nh＝1.7的薄膜材料只有mgo一种，但mgo的吸湿性很强，影响使用寿命。更为甚者，由于高、低折射率两种膜层的折射率差较小，偏振带宽大约只有100nm，图3是θg＝45°时k9玻璃上24层mgo/mgf2膜p和s偏振光的透射率曲线，并设其为例一。

8、为了展宽偏振带宽，需要增加式(1)中高、低折射率膜的折射率差。若选定自然界的最高折射率硫化锌(zns)膜(nh＝2.35)和最低折射率冰晶石(na3alf6)膜(nl＝1.35)，当θg＝45°时，由式(1)算得玻璃基底的折射率ng应该1.66，近似对应于重火石玻璃zf1的折射率。图4是θg＝45°时zf1玻璃上16层zns/na3alf6膜p和s偏振光的透射率曲线，并设其为例二。由图4可知，此设计的偏振带宽接近300nm，恰好能基本覆盖整个可见光区，是典型的宽带立方棱镜偏振分光器，故几乎被所有《薄膜光学》教科书所引用和论述。因为图4的设计是由最高折射率和最低折射率两种薄膜构成的，故它具有最宽的偏振带。尽管zns膜在可见光区短波侧的折射率色散和吸收都较大，且zns和na3alf6都是软膜，特别是冰晶石的牢固性很差，难以与其它硬膜配合，但因其300nm的偏振带宽而受到市场的青睐。

9、实践证明，用上述式(1)得到的所有传统设计，偏振带宽基本上都在100～300nm之间，并称其为宽带立方棱镜偏振分光器。

10、本发明要求实现偏振波段380～1100nm或偏振带宽720nm的立方棱镜偏振分光器，以用于可见-近红外分光光度计准确测量倾斜入射薄膜样品的透(反)射率。由于入射到薄膜样品的光束经过光度计元件多次反射和透射之后已变成了部分偏振光，故必须用p偏振和s偏振入射光分别测出tp(或rp)和ts(或rs)，才能得到正确的透射率t＝(tp+ts)/2和反射率r＝(rp+rs)/2，否则将产生很大的测量误差。鉴于可见-近红外分光光度计的测量波段为380～1100nm，这就意味着必须制备一个偏振带宽720nm的超宽带立方棱镜偏振分光器，其偏振带宽是最宽的常规宽带立方棱镜偏振分光器的2倍以上，故称其超宽带立方棱镜偏振分光器。

11、主要
技术实现要素：
包括：

12、本发明公开一种超宽带立方棱镜偏振分光器，包括第一棱镜、第二棱镜、超宽带偏振分光膜、光学环氧胶、超宽带减反射膜以及超宽带s光减反射膜和超宽带p光减反射膜。第一棱镜和第二棱镜均为大小相同的45°等腰直角棱镜，第一棱镜依次包括直角平面1a、1b和斜面1c，第二棱镜包括直角平面2a、2b和斜面2c。超宽带偏振分光膜镀于第二棱镜的2c斜面上，超宽带减反射膜、超宽带s光减反射膜和超宽带p光减反射膜分别镀于第二棱镜的2b、2a和第一棱镜的1b上。将第一棱镜的1c面与第二棱镜镀有超宽带偏振分光膜的2c面用光学环氧胶粘合，构成超宽带立方棱镜偏振分光器。

13、现有传统的立方棱镜偏振分光膜都是依据前面的式(1)设计的，在背景技术中已指出，因立方棱镜的自然光入射角必为45°，故例一当基底折射率ng＝1.52时，mgo(nh＝1.7)和mgf2(nl＝1.38)两种薄膜只能达到100nm的偏振带宽；而例二当基底折射率ng＝1.66时，zns(nh＝2.35)和na3alf6(nl＝1.35)两种薄膜能达到300nm的偏振带宽。那末或许有人会说，只要继续增加基底折射率就可继续增加偏振带宽，但回答是否定的。不妨举例如下：若继续增加基底折射率到ng＝1.846，在选定nl＝1.38的情况下，由式(1)计算nh需高达4.03，显然，自然界不可能在可见光区得到如此之高的折射率材料。实际上，式(1)中ng是不能大于1.66的，否则式(1)的解就会因材料限制而变成无意义，这就是说用式(1)得到的所有传统设计，带宽都在100～300nm之间。那么如何实现720nm的偏振带宽呢？

14、先不妨来作一个图5所示的修正导纳η随入射角θ而变化的曲线图。所谓修正导纳，就是当自然光倾斜入射时，薄膜折射率n对p偏振光和s偏振光是不同的，故需用修正导纳η取代折射率n：ηp＝n/cosθ，ηs＝n·cosθ。图5以常用k9(ng＝1.52)玻璃基底为例分别计算了折射率n为2.35、2.0、1.7和1.35四种薄膜在不同θ角的η曲线，同时算出n＝1的η曲线作为参比。四种薄膜的布角分别位于a、b、d、c。由图5可看出，(1).薄膜折射率n高于基底折射率时，p偏振的修正导纳ηp随θ角增加而减小，薄膜折射率越大，布角越大，偏振越强，所以选择尽可能高的薄膜折射率非常重要，这是因为越大的布角，产生越陡的η曲线和越大的ηs。(2).薄膜折射率n低于基底折射率时，p偏振的修正导纳ηp随θ角增加而增大，这同样使布角增大。非常奇特的是，图5中n＝1.35的低折射率薄膜的布角竟然大于n＝1.7的高折射率薄膜的布角，这说明，应该选择尽可能高的基底折射率ng，使低于基底折射率的所有低折射率膜都具有修正导纳η随θ角而增大的特性，从而使低折射率薄膜的布角增大，且低折射率膜的折射率越高，布角越大。这意味着选择尽可能高的玻璃基底折射率同样非常重要，而且可以选择多个低折射率膜来增加布角的适应性。(3).在背景技术中，例一的偏振带宽为什么只有100nm，图5的线段ef可以说明这个问题，因为s偏振光的高、低折射率修正导纳ηs之差ef太小，仅只0.57，自然带宽较小。这里说明一下，图5为避免太多的曲线，没有作出n＝1.38的η曲线，但可用n＝1.35的η曲线代替，因为二者相差很小。而例二的偏振带宽为300nm，因为s偏振光的高、低折射率修正导纳ηs之差gh为2.75。修正导纳ηs之差增大，s偏振光带宽增加，且偏振分光膜的膜层数减少。这个差值2.75虽然比较粗糙，因为图5是1.52而非1.66基底的计算曲线，但这依然可以得出，选择尽可能大的修正导纳ηs之差同样是非常重要的。

15、运用上述随θ角变化的修正导纳曲线可以获得拓展偏振带宽的各种新思路，这是本发明分析获得超宽偏振带宽的独特之处。欲获得超宽偏振带必须同时包括两个方面：一是所有界面都要满足布角条件，以确保tp＝1；二是所有界面都要有尽可能大的修正导纳ηs之差，以确保经过有限界面的反射就能达到rs＝1。根据上面的分析可知，(1)选择尽可能高的薄膜折射率，(2)选择尽可能高的基底折射率和选择多个低折射率膜，(3)选择尽可能大的修正导纳ηs之差都是非常重要的，它们都与布角紧密关联。

16、为获得牢固耐久的偏振分光膜，本发明选用氧化钛(tio2)、氧化铝(al2o3)和氟化镁(mgf2)三种薄膜材料。根据本发明的实验，釆用常规工艺，高折射率的tio2膜在波长550nm的折射率为2.2～2.32，为尽可能提高并稳定其折射率，而保持尽可能低的薄膜压应力，采用离子能量400ev、离子流密度50μa/cm2的离子轰击，稳定tio2膜的折射率为nh＝2.38。而al2o3和mgf2膜在波长550nm的折射率分别为nm＝1.62和nl＝1.38。于是，可以计算出超宽带立方棱镜偏振分光膜各种薄膜界面上的布角θb，其中最大布角θblh＝tg-1(nh/nl)＝59.9°出现在lh界面上，其余mh、lm、ml、hm和hl界面上的布角依次分别为55.8°、49.6°、40.4°、34.2°和30.1°。布角越大，s偏振的修正导纳ηs之差越大，偏振带越宽。而在macnelle设计中，由于只有高、低两种折射率膜，所以薄膜界面只有lh和hl二种情况，对应的布角也只二个，适应性较差。

17、选用光、机、热性能优良、双折射和热应力极低的sf57玻璃作为基底，其折射率为1.846，远高于传统设计的基底折射率上限1.66，这时al2o3(nm＝1.62)和mgf2(nl＝1.38)等优质薄膜都成为低折射率膜，布角适应性大增。sf57玻璃极低的双折射和热应力对偏振分光膜极其可贵，这可有效地防止偏振分光后又被双折射和热应力退偏而降低偏振度。

18、本发明构思的上述“多种薄膜、多个布角”的新型设计方法与传统的macnelle设计方法完全不同，图6给出一个典型的超宽带立方棱镜偏振分光器的偏振光谱特性，可以看出，在整个380～1100nm的波段上具有极其优良的偏振分光特性，偏振带宽达到720nm，几乎是最宽常规设计带宽的2.4倍以上。

19、具体地说，本发明所采取的技术方案是：

20、一种超宽带立方棱镜偏振分光器，偏振分光器包括第一棱镜、第二棱镜、超宽带偏振分光膜、光学环氧胶、超宽带减反射膜以及超宽带s光减反射膜和超宽带p光减反射膜。

21、所述的第一棱镜和第二棱镜均为大小相同的45°等腰直角棱镜，第一棱镜依次包括透光直角平面1a、1b和斜面1c，第二棱镜包括透光直角平面2a、2b和斜面2c。超宽带偏振分光膜镀置于第二棱镜的斜面2c上，超宽带减反射膜、超宽带s光减反射膜和超宽带p光减反射膜分别镀置于第二棱镜的2b、2a和第一棱镜的1b上。将第一棱镜的斜面1c与第二棱镜镀有超宽带偏振分光膜的斜面2c用光学环氧胶粘合，构成本发明的超宽带立方棱镜偏振分光器。

22、本发明的超宽带立方棱镜偏振分光器的第一棱镜和第二棱镜均采用优质的高折射率sf57玻璃，其波长550nm的折射率为1.846。超宽带偏振分光膜上的自然光入射角为45°，孔径角小于4°。

23、超宽带偏振分光膜是由三种不同折射率的薄膜构成的任意厚度膜系，总膜层数为44～64层。三种薄膜依据折射率高低排列分别为氧化钛(tio2)、氧化铝(al2o3)和氟化镁(mgf2)。制造时采用离子辅助轰击：离子能量为400ev，离子流密度为50μa/cm2，以提高并稳定每种薄膜的折射率。

24、镀有超宽带偏振分光膜的第二棱镜斜面2c与第一棱镜斜面1c粘合釆用的光学环氧胶是一种固化时间为24小时的慢凝固胶，防止快固化产生较大的薄膜应力而降低偏振度。

25、立方棱棱中自然光的入射面需要镀制对应的380-1100nm超宽带减反射膜，p和s偏振光的出射面分别需要镀制对应的380-1100nm超宽带p光减反射膜和s光减反射膜。因为自然光的超宽带减反射膜必然同时满足p和s光减反射，加上三种超宽带减反射膜的入射角均为0°，孔径角小于4°，所以可以仅用一个自然光的超宽带减反射膜取代三种超宽带减反射膜。这种超宽带减反射膜由高、低两种薄膜交替而成的任意厚度膜系(xh yl)p xh组成，h、l分别表示组成任意厚度膜系的高、低折射率膜，并分别选用超宽带偏振分光膜中的tio2膜和mgf2膜，x、y表示各层膜的厚度系数，p表示膜层周期数，p一般取3～7，即超宽带减反射膜的总膜层数为7～15层。

26、以上无论是超宽带偏振分光膜还是超宽带减反射膜，所有薄膜都采用离子辅助轰击，离子能量为350～450ev，离子流密度为45～55μa/cm2，确保波长545～555nm的折射率分别稳定在：tio2膜为2.38，al2o3膜为1.62，mgf2膜为1.38。进一步优选，离子能量为400ev，离子流密度为50μa/cm2，以确保波长550nm的折射率分别是：tio2膜为2.38，al2o3膜为1.62，mgf2膜为1.38。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

28、可见-近红外分光光度计广泛应用于各种光学器件的透射率、反射率和吸收率测试，更为甚者，根据测量的透射率、反射率和吸收率，还可反演求出各种薄膜的光学常数。但迄今许多这类光度计仅限于测量垂直入射样品的透射率，极大地制约了光度计的测量功能。究其原因，就是因为光度计中测量的自然光束入射到倾斜入射的测试样品时，自然光经过光度计元件的多次反射和透射后已经变成了部分偏振光，所以会产生较大的测量误差。

29、为了准确测量倾斜入射样品的光谱特性，必须在测试样品前放置一个立方棱镜偏振分光器，分别测出p偏振入射光和s偏振入射光的tp(或rp)和ts(或rs)，才能得到准确的透射率t＝(tp+ts)/2和反射率r＝(rp+rs)/2值，并得到吸收率a＝1－(t+r)。

30、然而现今的立方棱镜偏振分光器的最宽带宽不过300nm，于是测试中需要更换几个立方棱镜偏振分光器，这使测试工作既麻烦又引入新的误差。若釆用本发明的超宽带立方棱镜偏振分光器，则可解决上述困扰。

31、本发明的超宽带立方棱镜偏振分光器可应用于各种各样要求超宽带偏振分光的场合。