專利名稱：使用雙折射薄膜的多層膜起偏分束片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)起偏分束裝置，尤其是使用雙折射薄膜的多層膜起偏分束片。
光學(xué)起偏分束裝置是一種使光束分解成偏振方向相互垂直的兩個線偏振分量、并在空間分離傳播的裝置，在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域是一種被廣泛使用的基礎(chǔ)性光學(xué)器件。
現(xiàn)有的光學(xué)起偏分束裝置有起偏分束棱鏡、金屬線柵、非正入射起偏器、薄膜干涉偏振片、迭片起偏分束器和在一側(cè)涂覆有雙折射介質(zhì)的布喇格反射器?？蓞㈤喼形臅豆鈱W(xué)手冊》，李景鎮(zhèn)主編，陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1986年5月第1版，第526-562、677-678頁；英文期刊《Applied Optics》，1994年，第33卷，第30期，第6925-6934頁以及英文期刊《IEEE Journalof Quantum Electronics》，1996年，第32卷，第3期，第518-518頁。
起偏分束棱鏡的消光比、透射比性能好，且有較強的抗光損傷能力，但因是立體塊狀結(jié)構(gòu)，當要求通光孔徑大時，器件的體積、重量很大，價格也很昂貴，另外其視場角一般也不夠大；金屬線柵的消光比、透射比、抗光損傷能力和視場角性能都很好，且具有薄片狀外形，但要求入射光波長遠大于線柵的間隔，由于目前無法將柵間隔制作得足夠的小，故其只能用于遠紅外波段；非正入射類起偏器本身雖然具有片狀外形，消光比、透射比、抗光損傷性能也很好，但卻要求光束傾斜入射，這就使其片狀外形的優(yōu)點不能真正被利用，例如因需要傾斜安裝而仍會多占光路空間，故其幾乎仍等效是一立體塊狀器件，且其視場角也不夠大；現(xiàn)有的薄膜干涉偏振片實際上是非正入射類起偏器的改進，只是通過光學(xué)干涉增強起偏振效果，以減少所需板片的數(shù)目，故其也需要光束傾斜入射，并也有和非正入射類起偏器大致相同的不足之處；迭片起偏分束器也具有薄片狀外形，其消光比、透射比、抗光損傷性能也很好，但其也要求光束傾斜入射，另其膜層數(shù)目一般要求多達幾百層，這即使制作過程相當復(fù)雜，又使膜系的質(zhì)量難于保證，還使造價十分地昂貴；最后，一側(cè)涂覆有雙折射介質(zhì)的布喇格反射器的缺點是其消光比不高，不能作為實際的起偏分束器使用。
本發(fā)明的目的是提供一種起偏分束裝置，其外形為薄片狀，具有高消光比、高透射比、大通光孔徑、大光束分離角、強抗光損傷能力、較大的視場角以及足夠大的工作帶寬。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的由雙折射介質(zhì)薄膜組成多層膜迭合片，片內(nèi)各膜層的光軸只沿兩個方向按膜層順序交替重復(fù)取向，一個方向垂直于迭合片平面，另一個方向平行于迭合片平面。
或者由雙折射介質(zhì)薄膜與各向同性介質(zhì)薄膜交替重復(fù)迭合組成多層膜迭合片，片內(nèi)各雙折射介質(zhì)膜層的光軸只沿一個平行于迭合片平面的方向取向。
對于所述由雙折射介質(zhì)薄膜組成的多層膜迭合片，片內(nèi)各膜層的厚度依據(jù)制作折射率為no和ne兩種膜料的多層介質(zhì)高反射鏡或多層介質(zhì)寬帶高反射鏡的現(xiàn)有技術(shù)要求(例如可參閱中文書籍《光學(xué)手冊》，李景鎮(zhèn)主編，陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1986年5月第1版，第651-663頁)而選取，no與ne分別為雙折射薄膜對于尋常光偏振分量與非尋常光偏振分量的主折射率。
對于所述由雙折射介質(zhì)薄膜和各向同性介質(zhì)薄膜復(fù)合組成的多層膜迭合片，片內(nèi)各膜層的厚度，依據(jù)制作折射率為ni和ne兩種膜料的多層介質(zhì)高反射鏡或多層介質(zhì)寬帶高反射鏡的現(xiàn)有技術(shù)要求而選取，ni為各向同性介質(zhì)膜層的折射率，ne為雙折射介質(zhì)膜層對于非尋常光偏振分量的主折射率。
對于所述由雙折射介質(zhì)薄膜組成的多層膜迭合片，當使用兩種或兩種以上材料的薄膜時，各膜層對于尋常光偏振分量的主折射率值no應(yīng)相同或近似相同。
對于所述由雙折射介質(zhì)薄膜和各向同性介質(zhì)薄膜復(fù)合組成的多層膜迭合片，當使用三種或三種以上材料的薄膜時，各層各向同性介質(zhì)膜層的折射率值ni與各層雙折射介質(zhì)膜層的對于尋常光偏振分量的主折射率值no應(yīng)相同或近似相同。
上所述多層膜迭合片可以制作在一透明的平板片基上，以加強器件的機械強度。還可以在上所述多層膜迭合片的表面再制作附加的增透膜(可參閱中文書籍《光學(xué)手冊》，李景鎮(zhèn)主編，陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1986年5月第1版，第639-651頁)，以使透射偏振分量更好地透過。
各向同性介質(zhì)薄膜的制作與迭合已是相當成熟的技術(shù)，具有光學(xué)雙折射性質(zhì)的薄膜，例如晶體薄膜和各向異性聚合物薄膜的制作與迭合也已有若干方法，且該方面的研究目前正在迅速進展，故對于上所述多層迭合膜的具體制作工藝此處不贅述。
上述多層膜起偏分束片的工作原理如下當光束正入射到上述由雙折射介質(zhì)薄膜組成的多層膜迭合片時，在光軸方向平行于迭合片平面的各膜層內(nèi)，光束被分解成振動方向垂直于和振動方向平行于該膜層光軸的兩個偏振分量，對于振動方向垂直于光軸的尋常光偏振分量，其折射率是該膜層的主折射率no，對于振動方向平行于光軸的非尋常光偏振分量，其折射率是該膜層的另一主折射率ne；而當這兩個偏振分量進入相鄰的光軸方向垂直于迭合片平面的膜層內(nèi)時，由于這兩個偏振分量的振動方向都與該膜層光軸垂直，故它們的折射率都是該膜層對于尋常光偏振分量的主折射率no。于是，這兩個偏振分量中的一個在該迭合片的任一膜層內(nèi)有著相同或近似相同的折射率，因此該迭合片對于它只是一透明薄片，故其能有效地通過該迭合片；而這兩個偏振分量中的另一個在該迭合片的任何兩個相鄰的膜層內(nèi)卻有著不同的折射率，眾所周知，對于折射率是高低交替變化的多層介質(zhì)膜，并且各膜層的厚度選取合適時，它便成為一個具有高反射率的多層介質(zhì)膜反光鏡(可參見中文書籍《光學(xué)手冊》，李景鎮(zhèn)主編，陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1986年5月第1版，第651-663頁)，從而可使該偏振分量被有效地反射，兩個振動方向相互垂直的偏振分量一個能有效地通過，一個被有效地反射，所以起偏分束的目的便被實現(xiàn)。
當光束正入射到上述由雙折射介質(zhì)薄膜和各向同性介質(zhì)薄膜復(fù)合組成的多層膜迭合片時，在各雙折射介質(zhì)膜層內(nèi)，由于膜層光軸平行于迭合片平面，故光束也被分解成振動方向垂直于和振動方向平行于膜層光軸的兩個偏振分量，對于振動方向垂直于光軸的尋常光偏振分量，其折射率是該膜層的主折射率no，對于振動方向平行于光軸的非尋常光偏振分量，其折射率是該膜層的另一主折射率ne；而當這兩個偏振分量進入相鄰的各向同性介質(zhì)膜層內(nèi)時，由于這兩個偏振分量的折射率都是該膜層的折射率ni，且ni等于或近似等于no。于是，入射光束中兩個偏振分量中的一個在該迭合片的任一膜層內(nèi)也有著相同或近似相同的折射率，因此該迭合片對于它也只是一透明薄片，故其也能有效地通過；而兩偏振分量中的另一個在該迭合片的任何兩個相鄰的膜層內(nèi)卻也有著不同的折射率，于是對它而言，該迭合片也是一折射率高低交替變化的多層介質(zhì)膜堆，當各膜層的厚度選取合適時，該迭合片便也對它成為一個具有高反射率的多層介質(zhì)膜反光鏡，從而同樣使該偏振分量被有效地反射，所以起偏分束的目的便也可被實現(xiàn)。
該種多層膜起偏分束片具有下述優(yōu)點1.由于組成多層介質(zhì)高反射鏡或多層介質(zhì)寬帶高反射鏡的各層膜的所需厚度僅是光波長量級，故該起偏分束裝置為薄膜或薄片狀。
2.入射光束中的兩個偏振分量，由于一個能有效地通過，一個被有效地反射，所以透射與反射光束都分別成為具有很高純度的單偏振光束，因此該起偏分束裝置能具有很高的消光比。
3.該起偏分束裝置完全基于非吸收工作方式，且器件的厚度很薄，故裝置本身的總吸收可很小，因此能具有很高的透射比。
4.現(xiàn)有技術(shù)已可制作出面積足夠大的薄膜，因此該種起偏分束裝置可具有大通光孔徑。
5.入射光束中的兩個偏振分量，由于一個直接透射，一個被反射，故被起偏的兩偏振光束間可有很大的分離角，尤其是當光束正入射時，兩光分離角為180°，這是兩光束的最大分離角值。
6.由于該裝置對入射光束的總吸收很小，因此可允許更高功率的光束通過，故其抗光損傷能力增強。
7.當該裝置被制作成多層介質(zhì)膜寬帶高反射鏡時，它便在一個寬波長范圍內(nèi)，都可對入射光束進行偏振選擇性透射和反射，從而可具有大工作帶寬。
8.當光束傾斜入射時，多層介質(zhì)膜高反射鏡的高反射性能可在較寬的角度變動范圍內(nèi)保持，尤其是對于多層介質(zhì)膜寬帶高反射鏡，其對入射角變化的允許范圍更寬，因此該起偏分束裝置可具有較大的視場角。
可見，本發(fā)明所提供的多層膜起偏分束片與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有多種優(yōu)點綜合兼顧的長處。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細地說明。


圖1是本發(fā)明第一個實施例結(jié)構(gòu)的簡化側(cè)視圖。
圖2是本發(fā)明第二個實施例結(jié)構(gòu)的簡化側(cè)視圖。
圖1是本發(fā)明的第一個實施例結(jié)構(gòu)的簡化側(cè)視圖。圖中1是由k層雙折射介質(zhì)薄膜組成的多層膜迭合片，其內(nèi)的膜層的順序號為P1、P2、P3、P4、...、Pk’、Pk，該實施例中k為奇數(shù)，且k’＝k-1。在這些膜層中，膜層順序號的副標號為奇數(shù)的各膜層(即P1、P3、...、Pk等層)的光軸全沿著圖中y軸的方向，而膜層順序號的副標號為偶數(shù)的各膜層(即P2、P4、...、Pk’等層)的光軸全沿著圖中z軸的方向，y與z兩軸方向相互垂直，且y軸方向平行于迭合片平面，z軸方向垂直于迭合片平面。k層膜迭合片被制作附著在一個由各向同性介質(zhì)制成的透明平板片基(圖中2)上，在k層膜迭合片的另一表面上制作了單層增透膜(圖中3)，在平板片基的另一表面上也制作了單層增透膜(圖中4)。
該實施例中k層雙折射薄膜均采用一種雙折射材料，例如金紅石(TiO2)、方解石(CaCO3)或某種聚和物薄膜，它們對于尋常光偏振分量與非尋常光偏振分量的主折射率值為no與ne，故各層的no和ne值相同。選取光軸平行于y軸的各膜層的厚度為dy＝λ/(4ne)，選取光軸平行于z軸的各膜層的厚度為dz＝λ/(4no)，其中λ為所選的光波長。設(shè)平板片基的折射率為ne，通過選擇合適的片基材料，例如玻璃或石英等，應(yīng)盡量使ne值與no值相同或相近。設(shè)圖中3所示的增透膜的折射率為n3，圖中4所示的增透膜的折射率為n4，應(yīng)選擇合適的薄膜材料，使得值n3等于或接近值
值n4等于或接近值
其中na是整個器件外的介質(zhì)，例如空氣的折射率。圖中3所示的增透膜的厚度為d3＝λ/(4n3)，圖中4所示的增透膜的厚度為d4＝λ/(4n4)，而平板片基的厚度一般是遠大于光波長的(圖1中各膜層以及平板片基的厚度都不是按比例畫出，僅作原理性示意)。
當一自然光光束(圖中5)正入射到該實施例的左側(cè)表面時，該光束可被分解成振動方向平行于y軸和x軸的兩個偏振分量(x軸分別與y軸、z軸垂直)，它們在圖中分別用短直線(代表平行于y軸的偏振分量)與圓點(代表平行于x軸的偏振分量)表示。
對于振動方向平行于x軸的偏振分量，在各雙折射膜層內(nèi)，其振動方向即與順序號為奇數(shù)的各膜層的光軸垂直，也與順序號為偶數(shù)的各膜層的光軸垂直，故其在所有雙折射膜層內(nèi)的折射率全為no，所以當其通過該實施例的各膜層和片基時，其折射率依次是n3、no、no、no、…、no、ne、n4，由于平板片基的折射率ne等于或接近no，所以對此偏振分量，該實施例等效是一片兩表面鍍有增透膜的透明平板，故其能以極高的透過率通過該實施例而成為透射偏振分量(圖中6)。
而對于振動方向平行于y軸的偏振分量，在各雙折射膜層內(nèi)，其振動方向與順序號為奇數(shù)的各膜層的光軸平行，與順序號為偶數(shù)的各膜層的光軸垂直，故當其通過該實施例的各膜層和片基時，其折射率依次是n3、ne、no、ne、…、no、ne、n3、n4，加上n6等于或接近no，所以對此偏振分量，k層雙折射薄膜對其便構(gòu)成一個折射率高低交替變化的多層介質(zhì)膜堆，加上各膜層的厚度又是依據(jù)高反射鏡的結(jié)構(gòu)而選取，故這些雙折射膜層便成為一個具有高反射率的多層介質(zhì)膜反光鏡，另外又因為
從而圖中3所示的膜層對此偏振分量并不是理想的增透膜，故此偏振分量便以極高的反射率被該實施例反射而成為反射偏振分量(圖中7)。
圖2是本發(fā)明的第二個實施例結(jié)構(gòu)的簡化側(cè)視圖。圖中8是由雙折射介質(zhì)薄膜與各向同性介質(zhì)薄膜交替重復(fù)迭合組成的總層數(shù)為k層的多層膜迭合片，其內(nèi)的膜層的順序號也為P1、P2、P3、P4、…、Pk’、Pk，且同樣k為奇數(shù)，k’＝k-1。在這些膜層中，膜層順序號的副標號為奇數(shù)的各膜層(即P1、P3、…、Pk等層)是雙折射介質(zhì)膜層，它們的光軸全沿著圖中y軸的方向(y軸方向平行于迭合片平面)，而膜層順序號的副標號為偶數(shù)的各膜層(即P2、P4、...、Pk’等層)是各向同性介質(zhì)膜層。該k層膜迭合片也被制作附著在一個由各向同性介質(zhì)制成的透明平板片基(圖中9)上，在k層膜迭合片的另一表面和平板片基的另一表而上也分別制作了單層增透膜(圖中10和11)。
該實施例的k層膜迭合片中的各雙折射薄膜均采用一種雙折射材料，它們對于尋常光偏振分量與非尋常光偏振分量的主折射率值為no與ne，而k層膜迭合片中的各層各向同性介質(zhì)薄膜也只采用一種各向同性材料，它們的折射率為ni，通過選擇合適的薄膜材料，應(yīng)使ni值與no值相同或相近。選取各雙折射膜層的厚度為dy＝λ/(4ne)，選取各層各向同性介質(zhì)膜層的厚度為di＝λ/(4ni)，其中λ亦為所選的光波長。設(shè)平板片基的折射率為ne，應(yīng)使ne值與no值相同或相近，設(shè)圖中10所示的增透膜的折射率為n10，圖中11所示的增透膜的折射率為n11，應(yīng)使值n10等于或接近值
值n11等于或接近值
其中na也是器件外介質(zhì)的折射率。圖中10所示的增透膜的厚度選為d10＝λ/(4n10)，圖中11所示的增透膜的厚度選為d11＝λ/(4n11)。
同理，當一自然光光束(圖中12)正入射到該實施例的左側(cè)表面時，該光束也可被分解成振動方向平行于y軸和x軸的兩個偏振分量(x軸與y軸垂直)。
對于振動方向平行于x軸的偏振分量，當其通過該實施例的各膜層和片基時，其折射率依次是n10、no、ni、no、...、no、n5、n11，且ne等于或接近no，ni也等于或接近no，所以對此偏振分量，該實施例也等效是一片兩表面鍍有增透膜的透明平板，故此偏振分量也能以極高的透過率通過該實施例而成為透射偏振分量(圖中13)。
而對于振動方向平行于y軸的偏振分量，當其通過該實施例的各膜層和片基時，其折射率依次是n10、ne、no、ne、...、no、n6、n5、n11，加上各膜層的厚度也是按照高反射鏡的要求而選取，以及
所以對此偏振分量，該實施例也等效是一片具有高反射率的多層介質(zhì)膜反光鏡，故此偏振分量便也以極高的反射率被該實施例反射而成為反射偏振分量(圖中14)。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)起偏分束裝置，其特征在于由雙折射介質(zhì)薄膜組成多層膜迭合片，片內(nèi)各膜層的光軸只沿兩個方向按膜層順序交替重復(fù)取向，一個方向垂直于迭合片平面，另一個方向平行于迭合片平面。
2.一種按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的由雙折射介質(zhì)薄膜組成的多層膜迭合片片內(nèi)各膜層的厚度依據(jù)制作折射率為no和ne兩種膜料的多層介質(zhì)高反射鏡或多層介質(zhì)寬帶高反射鏡的現(xiàn)有技術(shù)要求而選取，no與ne分別為雙折射薄膜對于尋常光偏振分量與非尋常光偏振分量的主折射率。
3.一種按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的由雙折射介質(zhì)薄膜組成的多層膜迭合片，當使用兩種或兩種以上材料的薄膜時，各膜層對于尋常光偏振分量的主折射率值no應(yīng)相同或近似相同。
4.一種光學(xué)起偏分束裝置，其特征在于由雙折射介質(zhì)薄膜與各向同性介質(zhì)薄膜交替重復(fù)迭合組成多層膜迭合片，片內(nèi)各雙折射介質(zhì)膜層的光軸只沿一個平行于迭合片平面的方向取向。
5.一種按照權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于所述的由雙折射介質(zhì)薄膜和各向同性介質(zhì)薄膜復(fù)合組成的多層膜迭合片，片內(nèi)各膜層的厚度，依據(jù)制作折射率為ni和ne兩種膜料的多層介質(zhì)高反射鏡或多層介質(zhì)寬帶高反射鏡的現(xiàn)有技術(shù)要求而選取，ni為各向同性介質(zhì)膜層的折射率，ne為雙折射介質(zhì)膜層對于非尋常光偏振分量的主折射率。
6.一種按照權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于所述的由雙折射介質(zhì)薄膜和各向同性介質(zhì)薄膜復(fù)合組成的多層膜迭合片，當使用三種或三種以上材料的薄膜時，各層各向同性介質(zhì)膜層的折射率值ni與各層雙折射介質(zhì)膜層的對于尋常光偏振分量的主折射率值no應(yīng)相同或近似相同。
7.一種按照權(quán)利要求1或4所述的裝置，其特征在于所述的多層膜迭合片可以制作在一透明的平板片基上。
8.一種按照權(quán)利要求1或4所述的裝置，其特征在于在所述的多層膜迭合片的表面再制作附加的增透膜。
全文摘要
本發(fā)明提供一種多層膜光學(xué)起偏分束裝置,其特征是由雙折射薄膜迭合組成,且膜層光軸只沿兩個方向交替取向,或由雙折射薄膜與各向同性薄膜交替迭合組成,且雙折射膜層的光軸只沿一個方向取向。其能使入射光束中的兩個偏振分量一個有效透射,一個有效反射。該裝置呈薄片外形,具有高消光比、高透射比、大通光孔徑、大光束分離角、強抗光損傷能力、較大的視場角以及足夠大的工作帶寬,是一種用途廣泛的基礎(chǔ)性光學(xué)器件。
文檔編號G02B27/28GK1182217SQ96122980
公開日1998年5月20日 申請日期1996年11月8日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月8日
發(fā)明者柳尚青 申請人:柳尚青