薄膜光学技术-2-6
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2.7 消偏振膜系
在许多光学系统中，偏振效应将带来偏振像差。 因此，消除偏振效应在许多光学系统中是必须的。
产生偏振效应的原因是有效光学导纳的分离。
定义s和p偏振分量有效导纳的偏振分离量为：
n p n cos
1
1
1
n2 0
sin2 0
s ncos cos2
n2
显然： ①对独立的单层膜来说，Δn永远大于1，单层膜不可能消偏振； ②对分确离定越的小n0；和n，Δn随入射角θ0的减小而降低，即入射角越小，偏振
既可以作为良好的中性分光镜， 也可以用作偏振度很高的薄膜偏振器件。
5
偏振分光棱镜的结构就是在胶合面镀制HL多层膜。
6
棱镜偏振分光镜的设计：
根据布儒斯特角条件和折射定律确定膜层材料、光 线入射角和棱镜材料。
① tgH nL nH , nH sinH nLsinL =nG sinG
②实现偏振分光的条件：
4
2. 6.1 偏振分束膜
1. 立方棱镜的偏振分光膜——布儒斯特角原理
利用光的偏振效应实现50／50中性分光。 原理：
①当入射角满足布儒斯持角条件时，即
tgθ=
n/ H
n L
，
rp r0p 0, rs 0
②当膜层数增加到足够多时，
rp 0, rs 1
依此，当自然光入射时，在一定的波长范围内，得 到50/50的透射和反射率比，
nG sinG
nHnL
n
2 H
+n
2 L
12
7
立方棱镜偏振分光镜的设计方法有两种：
在给定nH和nL的情况下，就可以确定出膜层内的折射角θH和θL，
1. 选定棱镜的折射率ns，根据上式计算棱镜应有的角 度θs; 2.选定棱镜的角度(θs=45°)，然后计算棱镜应有的折 射率。
1. 例如:nH=2.35,nL=1.35, ns=1.52，根据上式计算棱镜 应有的角度θs=50.5° 2.例如:nH=2.35,nL=1.35 ,θs=45° ,则，ns=1.66。
的光学导纳的偏振分离量很难用一个显函数表达。 也就很难在宽波段实现消偏振设计。
目前，大多数消偏振设计都是针对光学导纳能够明 确用显函数表达的特殊波长进行的。
所谓消偏振就是使光学导纳的偏振分离量ΔY=1。 应当注意的是：一个完整的消偏振设计，既需要对
膜系进行，也需要对入射介质和基底介质进行。
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λmin 00 550nm 300 520nm 450 480nm 600 440nm
Rmin/% 0.99 0.999 1.1 2.28
RS/% 0.99 0.81 0.39 0.08
RP/% 0.99 1.19 1.81 4.48
3
（2）(LH)9 stack
λmax 00 550nm
Rmax 0.9994
11
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3. 金属栅偏振分光镜
原理： 当入射光的波长远大于栅距时，入射光中的电矢量 E
垂直于线栅的偏振光透过线栅，而电矢量 E平行于线栅 的偏振光则被线栅反射。
金属栅偏振器的主要优点是： 工作波段很宽； 全波段内偏振性好； 线栅用良导体制成，吸收可以忽略，抗光损伤阈值
高。所以，金属线栅偏振器是中，远红外区较理想的偏 振器 。
课堂论题十
全介质规则膜系在光学薄膜器件中的重要性
1）反射镜、激光谐振腔 ( LH )S
2）中性分束镜 G/ (HL) 8 /G、 G/2LHLHL/A
3）截止滤光片 4）带通滤光片
H 2
L
H 2
S
、
L 2
H
L 2
S
2
L
2
H
2
L
m
3 3 3
G/(HL)m2H(LH)m/A
G /（HL）m2H(LH)2mL2H（LH ）m /G
Rs-max 0.9994
Rp-max 0.9994
Δλs 480-650
Δλp 480-650
300 530nm 0.9992 0.9997 0.9987 440-630 460-620
Leabharlann Baidu
500 510nm 0.9984 0.9999 0.9969 430-620 450-590
600 500nm 0.9930 0.9999 0.9864 390-600 430-550
平板偏振分光镜是基于薄膜材料的P-偏振和S-偏 振的有效折射率不相等这一条件设计的，P-偏振光 的高透射率是通过干涉效应实现的．因此它们的工作 波段比较窄，优点是选择基片和薄膜材料有较大的灵 活性．
这种干涉型偏振镜的基本结构是长波通滤光片
G（0.5HL0.5H）SA。
当然，干涉型偏振分光镜也可以采用用胶合棱镜。
③对于确定θ0和n，Δn随入射介质n0增大而增大，偏振分离也越大； 因此，①消偏振只能对膜层与周围介质组合、或多层膜系来实现；
②封闭在胶合棱镜中膜层的偏振效应更严重。
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2.7.1 单波长消偏振
由于①多层膜系的偏振效应来源于光学导纳的偏振分离，
②多层膜系的光学导纳是膜层厚度的复函数， ③多层膜系的光学导纳色散非常严重，所以多层膜系
A/LHLH760LHLHLHLH760LHLHLHLH760LHLHL/A
中心波长的意义； 间隔层厚度的意义；间隔层 个数的意义；膜层数的意义。
1
第2章 光学薄膜膜系设计及其应用
2.6（7） 偏振分光膜和 消偏振薄膜
2
2-6 偏振和偏振薄膜 1. 薄膜的偏振效应
（1）. AR coating GHLA
足 n1 n0 n2 ，且光线以等于或大于全反射临界角入射
时，通过调整膜层的厚度，由于膜层的作用，就会使全反射受
8
中心波长处的反射率为：
R
ηs
ηs
ηH2 ηH2
ηs ηs
ηH ηH
ηL ηL
m1 2 m1
m为膜层的层数，并假定为奇数。
S-偏振光高反射区域的半宽度为：
g s
2
sin
1
ηH ηH
ηL ηL
s
s
1 1
9
10
2. 平板型偏振分光膜
在基于布儒斯特角入射的棱镜偏振镜中，各介质 的P-偏振光的有效折射率都是相同的，其间不存在 界面，因而P-偏振光有高的透射并不是干涉的结果 (不产生干涉)．
2.7.2 宽波段消偏振
1.“金属-介质”组合膜系 例：G/H metal H/G 其中 metal —— Ag
Rp Rs
G| 1.18H Ag(19.2nm) 0.82L 0.02M|A
H:ZnS, L:MgF2, M:Al2O3 G:K9
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2.7.2 宽波段消偏振
2. 受抑全反射棱镜
如图示，位于棱镜胶合面的单层介质膜，当折射率满
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2.7 消偏振膜系
在许多光学系统中，偏振效应将带来偏振像差。 因此，消除偏振效应在许多光学系统中是必须的。
产生偏振效应的原因是有效光学导纳的分离。
定义s和p偏振分量有效导纳的偏振分离量为：
n p n cos
1
1
1
n2 0
sin2 0
s ncos cos2
n2
显然： ①对独立的单层膜来说，Δn永远大于1，单层膜不可能消偏振； ②对分确离定越的小n0；和n，Δn随入射角θ0的减小而降低，即入射角越小，偏振
既可以作为良好的中性分光镜， 也可以用作偏振度很高的薄膜偏振器件。
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偏振分光棱镜的结构就是在胶合面镀制HL多层膜。
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棱镜偏振分光镜的设计：
根据布儒斯特角条件和折射定律确定膜层材料、光 线入射角和棱镜材料。
① tgH nL nH , nH sinH nLsinL =nG sinG
②实现偏振分光的条件：
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2. 6.1 偏振分束膜
1. 立方棱镜的偏振分光膜——布儒斯特角原理
利用光的偏振效应实现50／50中性分光。 原理：
①当入射角满足布儒斯持角条件时，即
tgθ=
n/ H
n L
，
rp r0p 0, rs 0
②当膜层数增加到足够多时，
rp 0, rs 1
依此，当自然光入射时，在一定的波长范围内，得 到50/50的透射和反射率比，
nG sinG
nHnL
n
2 H
+n
2 L
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立方棱镜偏振分光镜的设计方法有两种：
在给定nH和nL的情况下，就可以确定出膜层内的折射角θH和θL，
1. 选定棱镜的折射率ns，根据上式计算棱镜应有的角 度θs; 2.选定棱镜的角度(θs=45°)，然后计算棱镜应有的折 射率。
1. 例如:nH=2.35,nL=1.35, ns=1.52，根据上式计算棱镜 应有的角度θs=50.5° 2.例如:nH=2.35,nL=1.35 ,θs=45° ,则，ns=1.66。
的光学导纳的偏振分离量很难用一个显函数表达。 也就很难在宽波段实现消偏振设计。
目前，大多数消偏振设计都是针对光学导纳能够明 确用显函数表达的特殊波长进行的。
所谓消偏振就是使光学导纳的偏振分离量ΔY=1。 应当注意的是：一个完整的消偏振设计，既需要对
膜系进行，也需要对入射介质和基底介质进行。
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λmin 00 550nm 300 520nm 450 480nm 600 440nm
Rmin/% 0.99 0.999 1.1 2.28
RS/% 0.99 0.81 0.39 0.08
RP/% 0.99 1.19 1.81 4.48
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（2）(LH)9 stack
λmax 00 550nm
Rmax 0.9994
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3. 金属栅偏振分光镜
原理： 当入射光的波长远大于栅距时，入射光中的电矢量 E
垂直于线栅的偏振光透过线栅，而电矢量 E平行于线栅 的偏振光则被线栅反射。
金属栅偏振器的主要优点是： 工作波段很宽； 全波段内偏振性好； 线栅用良导体制成，吸收可以忽略，抗光损伤阈值
高。所以，金属线栅偏振器是中，远红外区较理想的偏 振器 。
课堂论题十
全介质规则膜系在光学薄膜器件中的重要性
1）反射镜、激光谐振腔 ( LH )S
2）中性分束镜 G/ (HL) 8 /G、 G/2LHLHL/A
3）截止滤光片 4）带通滤光片
H 2
L
H 2
S
、
L 2
H
L 2
S
2
L
2
H
2
L
m
3 3 3
G/(HL)m2H(LH)m/A
G /（HL）m2H(LH)2mL2H（LH ）m /G
Rs-max 0.9994
Rp-max 0.9994
Δλs 480-650
Δλp 480-650
300 530nm 0.9992 0.9997 0.9987 440-630 460-620
Leabharlann Baidu
500 510nm 0.9984 0.9999 0.9969 430-620 450-590
600 500nm 0.9930 0.9999 0.9864 390-600 430-550
平板偏振分光镜是基于薄膜材料的P-偏振和S-偏 振的有效折射率不相等这一条件设计的，P-偏振光 的高透射率是通过干涉效应实现的．因此它们的工作 波段比较窄，优点是选择基片和薄膜材料有较大的灵 活性．
这种干涉型偏振镜的基本结构是长波通滤光片
G（0.5HL0.5H）SA。
当然，干涉型偏振分光镜也可以采用用胶合棱镜。
③对于确定θ0和n，Δn随入射介质n0增大而增大，偏振分离也越大； 因此，①消偏振只能对膜层与周围介质组合、或多层膜系来实现；
②封闭在胶合棱镜中膜层的偏振效应更严重。
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2.7.1 单波长消偏振
由于①多层膜系的偏振效应来源于光学导纳的偏振分离，
②多层膜系的光学导纳是膜层厚度的复函数， ③多层膜系的光学导纳色散非常严重，所以多层膜系
A/LHLH760LHLHLHLH760LHLHLHLH760LHLHL/A
中心波长的意义； 间隔层厚度的意义；间隔层 个数的意义；膜层数的意义。
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第2章 光学薄膜膜系设计及其应用
2.6（7） 偏振分光膜和 消偏振薄膜
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2-6 偏振和偏振薄膜 1. 薄膜的偏振效应
（1）. AR coating GHLA
足 n1 n0 n2 ，且光线以等于或大于全反射临界角入射
时，通过调整膜层的厚度，由于膜层的作用，就会使全反射受
8
中心波长处的反射率为：
R
ηs
ηs
ηH2 ηH2
ηs ηs
ηH ηH
ηL ηL
m1 2 m1
m为膜层的层数，并假定为奇数。
S-偏振光高反射区域的半宽度为：
g s
2
sin
1
ηH ηH
ηL ηL
s
s
1 1
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2. 平板型偏振分光膜
在基于布儒斯特角入射的棱镜偏振镜中，各介质 的P-偏振光的有效折射率都是相同的，其间不存在 界面，因而P-偏振光有高的透射并不是干涉的结果 (不产生干涉)．
2.7.2 宽波段消偏振
1.“金属-介质”组合膜系 例：G/H metal H/G 其中 metal —— Ag
Rp Rs
G| 1.18H Ag(19.2nm) 0.82L 0.02M|A
H:ZnS, L:MgF2, M:Al2O3 G:K9
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2.7.2 宽波段消偏振
2. 受抑全反射棱镜
如图示，位于棱镜胶合面的单层介质膜，当折射率满