一种宽带薄膜偏振分光镜的研究
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Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｘｙ３２７５＠ｎｗｕ．ｅｄｕ．ｃａ
・５６・
胡晓云，等：一种宽带薄膜偏振分光镜的研究
第２８卷（专刊）
引言
在现代光学测试和光学应用中，都需要用到偏 振光，它可以作为信息的载体和携带者进行信息的 传递和交流。常见的起偏和检偏器件是利用晶体的 双折射特性制成的ｍ ２｜，但由于其成本高、口径小、 加工工艺复杂等缺点，应用范围比较小。偏振分光 棱镜因其通光孑Ｌ径大、损耗低、系统设计灵活等特 点备受人们关注，在光学仪器、激光技术、光电显示 和光电存储等领域得到了广泛应用。特别是在大屏 幕显示系统中，无论是基于阴极射线（ＣＲＴ）技术，
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４样品检验
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３
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对于增透膜来说，可以利用ＷＧＺ一８型烈光柬 紫外分光光度计测量薄膜在４。０～７００ ｎｍ渡段的 透射比曲线，对比没有涂膜的空白棱镜，筛选出最
（ＬＣＯＳ）技术的投影系统中都要用到含有偏振分
光膜（ＰＢＳ）的光学引擎。它是投影显示器及投影机
郴ｉｎ００＿之坠
（１）
的核心部件，决定了图像的对比度、色彩的一致性 和光能利用率，从而决定了投影机的整机效率［３ｑ］。 与一般的薄膜偏振分光镜不同，投影显示系统 的偏振分光镜要求人射角容许范围较大和波段区 间较宽。本文利用Ｍａｓｓ膜系设计软件，分别设计出 具有良好效果的入射面的宽带增透膜和宽带棱镜 偏振分光膜。
中图分类号：０４８４．４１ 文献标志码：Ａ
Ａ ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｂｅａｍ—ｓｐｌｉｔｔｅｒ ｆｏｒ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ
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Ｘｉａｏ—ｙｕｎｌ，ＷＡＮＧ Ｙｏｎｇ—ｑｉａｎ９１”，ＭＩＡＯ
Ｚｈｏｎｇ—ｈａｉｌ，
ＪＩＡＮＧ Ｄｏｎ９１，ＭＡ Ｙｉ—ｐｉｎ９１，ＺＨＡＮＧ Ｄｅ—ｋａｉｌ
好的增适膜。
采用上述结构，交叉混合镀制各个膜层。根据 偏振分光膜特点，要求能最太限度地分开Ｓ光和Ｐ 光，即要求通过偏振分光膜厦射的光是Ｓ光．透过
对于偏掀分光膜，需要脏台在２直角棱镜的体
・５８・
胡晓云，等：一种宽带薄膜偏振分光镜的研究
第２８卷（专刊）
对角面上，对整个薄膜偏振分光镜进行测试。 ４．１偏振特性的测试 利用偏振分析系统搭建如图６所示测试光 路［７］。其中：Ａ为激光光源；Ｂ为偏振分光镜；Ｃ 为兰・汤姆逊棱镜；Ｄ为探测器；Ｅ为计算机。 检偏器装在步进马达的旋转支架上。探测器探测到 的信号输入计算机。检偏器在步进马达的驱动下使 通过它的光强信号最小时绕光线轴旋转。若入射光 与检测到的光满足马吕斯定律Ｉ＝Ｊ。ＣＯＳ２０，则得到 的透射光为线偏振光。
高透过率。
制作成本低、涂膜简单、清理容易、便于大面积成膜 和光学性能好等一系列优点备受人们关注。因此， 我们采用此法镀制直角通光面上的增透膜和体对 角面间的偏振分光薄膜。 具体方法：在酸催化体系中以钛酸丁酯为前驱 体制得到ＴｉＯ：溶胶；以正硅酸乙酯为前驱体制得 ＳｉＯ：溶胶，采用提拉法镀膜。因为Ｓｉ０。折射率为 １．４６，Ｔｉ０：的折射率为２．３２，结合膜系设计软件， 在理论分析的基础上，选择合适的镀膜层数，镀制２ 种溶胶的多层膜，分别达到增透和偏振分光的目 的。对偏振分光来说，根据布儒斯特定律，当入射角 满足ｔａｎｉ。一挖Ｈ／ｎ。时，反射光变成垂直振动的完全 偏振光。由于所镀制的是多层膜，每个界面都发生 布儒斯特现象，经过多次的“筛选”作用，透射光为 Ｐ型偏振光。而通光面上镀制的增透膜，保证了光 通过棱镜时有高的透过率。
ｔｏ
ｔｈｅ ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ
ｂｅａｍ—ｓｐｌｉｔｔｅｒ，ｔｈｅ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｓ
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９５％ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｐ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌｉｇｈｔ ｉｓ
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于单层ＳｉＯ，膜（一１ ４６）来说，玻璃的折射率１ 是太低了。为此，需要在基片上先镀１层＾。／４厚的
５２
的光是Ｐ光．所以要求此种结椅的ＰＢＳ膜的透射比 和反射比应在ｊｏ％。刺用Ｍａｓｓ膜系设计软件，摸拟
折射率为”：的薄膜。这时，对于波长＾来说，薄膜 和基片组合的系统可雌用折射率为ｙ＝”；，”，的假 想基片来等价。显然，”：＞”，时＋有ｙ＞ｂ，也就是 说在玻璃基片ｒ先镀１崖高折射率的＾。７４厚的膜 层．基片的折射辛好像是从‰提高到一；／‰‘，然后 再镀＾／４厚的ＳｉＯ：膜，就能起到更好的增透作用。 在基片和ＳｉＯｔ膜之司镀１层ＴｉＯ ｚ膜（折射亭为２ ３２）能够满足上述要求。图２是利用Ｍａｓｓ膜系殴“ 软件根据上述原理设计的增透膜效果图。从图中可 以看出，这种噤透光敢粜很好，在４３０—７００ ｎｍ渡 段．其透射比可以达到０９“。
还是基于液晶显示（ＬＣＤ）和硅基液晶显示
射，在棱镜体对角面处遇到多层偏振分光膜，根据 ＭａｃＮｅｉｌｌｅ提出的薄膜设计原理，对于折射率不同 的２种材料的交界面，总可以找到１个人射角，使之 满足布儒斯特角条件。在这样的条件下，光线由棱 镜左侧入射后，在右侧透射的光为振动面平行于纸 面的Ｐ偏振光，在侧面反射的光为振动面垂直于 纸面的Ｓ型偏振光。为满足布儒斯特角条件，必须 选择折射率满足一定关系的膜料和基底材料。由菲 涅耳原理¨］可知：对于折射率为ｎⅣ和行ｔ的２种材 料和基底折射率ｎ。以及膜层和玻璃基底之间的入 射角吼，这４个量要满足
目２
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ｍ％《＃｝目
ｓｐ￡ｃｔｒｕｍ ｏｆ ｒｅｄｕｃｉｎｇ
射比在９０跖左右。町见此种ＰＢＳ膜能够比较好地分
开Ｓ光和Ｐ光。
ＴｒａＤｓｍＪｓｓｉｏｎ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ
ｃｏＪｔｉｎＥ
３
２体对角面闻偏振分光膜的模拟计算 在薄膜偏振分光镜的直角棱镜的体肘角面问
需要镀制多层介质膜．为了满足在４５‘角＾射¨市 糯斯特角，选择镀制２种介质膜，分别为ＳｉＯ：膜和 Ｔ・０：膜。根据多层膜理论，计划采用提拉法在普通 载玻片上镀膜。制得的样片结构如图３所示。
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ａｎｇｌｅ ｐｒｉｓｍ ｗａｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｉｓ ９９％ｉｎ
ｒａｎｇｅ
ｆｒｏｍ ４３０ ｎｍ ｔｏ ７００ ｎｍ，ａｎｄ ｌｉｇｈｔ ｉｓ
ａｌｓｏ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． ｓｙｓｔｅｍ；ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ；
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｂｅａｍ—ｓｐｌｉｔｔｅｒ；ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｆｉｌｍ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ
收稿日期：２００７—１１—１８｝修回日期：２００７—１２—１３
基金项目：陕西省科技厅科技攻关项目（２００４ｋ０５一Ｇ２６）；陕西省教育厅专项项目（０６ＪＫｌ６９） 作者简介：胡晓云（１９５９一），女，陕西西安人，博士，西北大学物理系教授，主要从事薄膜物理研究。
ｔｏ
（ｈｉｇｈ—ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｌｉｇｈｔ）ｃａｎ ｂｅ ｓｅｐａｒａｔｅｄ ｉｎ ｍａｘｉｍｕｍ ｌｉｍｉｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｒａｎｇｅ ｆｒｏｍ ４２０ ａｍ
６８０ ｎｍ．Ｉｎ ｖｉｒｔｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｉｎ—ｆｉｌｍ ｄｅｓｉｇｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｍａｓｓ，ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ ａｎｄ ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｔｉｔａｎｉｃ ｂｅａｍ—ｓｐｌｉｔｔｅｒ ｗｅｒｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ
得到不同波长的反射比恤“）和透射比（ｒ％）曲线
如下图所示。可ｕ看出．反射比和透射比曲线在 ５０％左右．基奉上满足需要。
目４
Ｆｉｇ
４
ＰＢＳｎａ＊№自＆＃＆自§ ｒｅｆｌＨｔｎｎｅｅ ０ｒ ＰＢＳ ｆｉｌｍ
Ｔｒ－一ｌＩｌａｎ…｜１ｄ
另外，利用此软件得到了此种ＰＢＳ膜的Ｓ光和 Ｐ光的透射比和反射比随人射光渡渡长变化的曲 线，如罔５所示。其中Ｒｓ“和ＲＰ蟛分别表示Ｓ光和 Ｐ光的反射比，ＴＳ蜥和ＴＩａ“分别表示Ｓ光和Ｐ光 的透射比。从图中可以看出，在４００～７００ ｎｎｌ比较 宽的波带内，Ｓ光反射比可以达到９５％，Ｐ光的透
１
薄膜偏振分光镜原理
薄膜偏振分光棱镜是大屏幕显示中的关键元
２
实验设计
溶胶一凝胶（ｓｏｌ—ｇｅｌ）方法在薄膜的制备上以其
件，采用它和偏振转换装置可以使整个投影系统能 量的利用率提高１倍。ＰＢＳ薄膜既可以使１束自然 光分解成Ｓ偏振光和Ｐ偏振光，同时也可以应用于 Ｓ偏振光和Ｐ偏振光的合成系统。薄膜偏振分光镜 如图１所示。在直角光学玻璃棱镜的体对角面上镀 制多层介质膜（即偏振分光膜），再将２块棱镜的分 光面胶合起来；因为要考虑到膜层和介质的吸收作 用，所以在每块棱镜的分光面镀制多层介质偏振分 光膜的同时，需要在４个直角通光面上镀多层增透 膜，降低光通过棱镜时的反射损耗，从而确保光的
（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００６９，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ
ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ ４５４０００，Ｃｈｉｎａ）
第２８卷专刊
２００７年１２月
应用光学 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ
Ｖ０１．２８ Ｓｕｐ．Байду номын сангаасＤｅｃ．２００７
文章编号：１００２—２０８２（２００７）ＳＯ一００５５—０４
一种宽带薄膜偏振分光镜的研究
胡晓云１，王永强１’２，苗仲海１，江 东１，马一平１，张德恺１
（１．西北大学物理学系，陕西西安７１００６９；２．河南理工大学理化系，河南焦作４５４０００）
图１
Ｆｉｇ．１
薄膜偏振分光镜结构图
３模拟计算
３．１
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｉｎ—ｆｉｌｍ ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｂｅａｍ—ｓｐｌｉｔｔｅｒ
宜角通光面上增透膜的模拟计算 利用溶胶一凝胶法镀制ＳｉＯ。／ＴｉＯ。增透膜。对
如图１所示，自然光垂直于棱镜的直角面入
＃２Ｂ％（々“
自％ｉ，≮－一＃女＊＊ｍ＊《Ｈ№自∞ＨＲ
摘要：薄膜偏振分光镜是光学引擎重要的薄膜元件。它要求在４２０－－－－６８０ ｎｍ波段范围内，能最 大限度地分开Ｐ光（高透）和Ｓ光（高反）。本文基于ＭａｃＮｅｉｌｌｅ薄膜设计原理，以玻璃为基底，采用 折射率高低不同的２种薄膜材料ＴｉＯ。（咒一２．３２）和Ｓｉ０。（行一１．４６），利用Ｍａｓｓ膜系设计软件进行 膜系设计，在理论上设计了一种宽带偏振分光镜，得到了在４３０＂－－７００ ｎｍ波段，透射比可以达到 ９９％的薄膜偏振分光镜直角通光面上的增透膜。该偏振分光膜在４００～７００ ａｍ比较宽的波带内 Ｓ光反射比可以达到９５％，Ｐ光的透射比在９０％左右。另外对样品的性能测试方法做了设计。 关键词：偏振分光镜；膜系设计；增透膜；带宽
√，ｚ备＋，ｚ２ 对于垂直于入射面方向的振动，各个层中的光学导 纳是不同的；由于相临２层导纳的跃变，５分量的 光存在反射。将膜系设计成Ａ／４形式，选择适当的 膜厚（Ｓ分量的反射率随层数的增加而增加），使Ｓ 分量的反射光相长干涉。在具有适当的层数后，入 射光束的Ｓ分量基本上被反射，剩余的Ｐ分量的光 就被透射。
ｏｎ
ｔｈｅ ＭａｃＮｅｉｌｌｅ ｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｅ ｗｅｒｅ ｃｏａｔｅｄ
ｏｎ ａ
ｏｘｉｄｅ（恕＝２．３２）ａｎｄ
ｄｉｏｘｉｄｅ（，２＝１．４６）ｔｈｉｎ—ｆｉｌｍｓ
ｇｌａｓｓ
ｓｕｂｓｔｒａｔｅ，ｗｈｉｃｈ ｈａｖｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｉｔ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｆｏｒ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ ｃｏａｔｅｄ
・５６・
胡晓云，等：一种宽带薄膜偏振分光镜的研究
第２８卷（专刊）
引言
在现代光学测试和光学应用中，都需要用到偏 振光，它可以作为信息的载体和携带者进行信息的 传递和交流。常见的起偏和检偏器件是利用晶体的 双折射特性制成的ｍ ２｜，但由于其成本高、口径小、 加工工艺复杂等缺点，应用范围比较小。偏振分光 棱镜因其通光孑Ｌ径大、损耗低、系统设计灵活等特 点备受人们关注，在光学仪器、激光技术、光电显示 和光电存储等领域得到了广泛应用。特别是在大屏 幕显示系统中，无论是基于阴极射线（ＣＲＴ）技术，
目，ＰＢＳ醇Ｓ＾自Ｐ±∞｛＊＆＆Ⅺ＆■＆
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ＴＴａＤｓｍｉｔｌａｎｃｅ Ｌｉｇｈｔ
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３
Ｓｔｒｕｃｌｕｒｅ ｏｆ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｒｅｆｌＨＵｏｎ
ｃ∞ｔｉｎｇ
对于增透膜来说，可以利用ＷＧＺ一８型烈光柬 紫外分光光度计测量薄膜在４。０～７００ ｎｍ渡段的 透射比曲线，对比没有涂膜的空白棱镜，筛选出最
（ＬＣＯＳ）技术的投影系统中都要用到含有偏振分
光膜（ＰＢＳ）的光学引擎。它是投影显示器及投影机
郴ｉｎ００＿之坠
（１）
的核心部件，决定了图像的对比度、色彩的一致性 和光能利用率，从而决定了投影机的整机效率［３ｑ］。 与一般的薄膜偏振分光镜不同，投影显示系统 的偏振分光镜要求人射角容许范围较大和波段区 间较宽。本文利用Ｍａｓｓ膜系设计软件，分别设计出 具有良好效果的入射面的宽带增透膜和宽带棱镜 偏振分光膜。
中图分类号：０４８４．４１ 文献标志码：Ａ
Ａ ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｂｅａｍ—ｓｐｌｉｔｔｅｒ ｆｏｒ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ
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采用上述结构，交叉混合镀制各个膜层。根据 偏振分光膜特点，要求能最太限度地分开Ｓ光和Ｐ 光，即要求通过偏振分光膜厦射的光是Ｓ光．透过
对于偏掀分光膜，需要脏台在２直角棱镜的体
・５８・
胡晓云，等：一种宽带薄膜偏振分光镜的研究
第２８卷（专刊）
对角面上，对整个薄膜偏振分光镜进行测试。 ４．１偏振特性的测试 利用偏振分析系统搭建如图６所示测试光 路［７］。其中：Ａ为激光光源；Ｂ为偏振分光镜；Ｃ 为兰・汤姆逊棱镜；Ｄ为探测器；Ｅ为计算机。 检偏器装在步进马达的旋转支架上。探测器探测到 的信号输入计算机。检偏器在步进马达的驱动下使 通过它的光强信号最小时绕光线轴旋转。若入射光 与检测到的光满足马吕斯定律Ｉ＝Ｊ。ＣＯＳ２０，则得到 的透射光为线偏振光。
高透过率。
制作成本低、涂膜简单、清理容易、便于大面积成膜 和光学性能好等一系列优点备受人们关注。因此， 我们采用此法镀制直角通光面上的增透膜和体对 角面间的偏振分光薄膜。 具体方法：在酸催化体系中以钛酸丁酯为前驱 体制得到ＴｉＯ：溶胶；以正硅酸乙酯为前驱体制得 ＳｉＯ：溶胶，采用提拉法镀膜。因为Ｓｉ０。折射率为 １．４６，Ｔｉ０：的折射率为２．３２，结合膜系设计软件， 在理论分析的基础上，选择合适的镀膜层数，镀制２ 种溶胶的多层膜，分别达到增透和偏振分光的目 的。对偏振分光来说，根据布儒斯特定律，当入射角 满足ｔａｎｉ。一挖Ｈ／ｎ。时，反射光变成垂直振动的完全 偏振光。由于所镀制的是多层膜，每个界面都发生 布儒斯特现象，经过多次的“筛选”作用，透射光为 Ｐ型偏振光。而通光面上镀制的增透膜，保证了光 通过棱镜时有高的透过率。
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ｂｅａｍ—ｓｐｌｉｔｔｅｒ，ｔｈｅ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｓ
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于单层ＳｉＯ，膜（一１ ４６）来说，玻璃的折射率１ 是太低了。为此，需要在基片上先镀１层＾。／４厚的
５２
的光是Ｐ光．所以要求此种结椅的ＰＢＳ膜的透射比 和反射比应在ｊｏ％。刺用Ｍａｓｓ膜系设计软件，摸拟
折射率为”：的薄膜。这时，对于波长＾来说，薄膜 和基片组合的系统可雌用折射率为ｙ＝”；，”，的假 想基片来等价。显然，”：＞”，时＋有ｙ＞ｂ，也就是 说在玻璃基片ｒ先镀１崖高折射率的＾。７４厚的膜 层．基片的折射辛好像是从‰提高到一；／‰‘，然后 再镀＾／４厚的ＳｉＯ：膜，就能起到更好的增透作用。 在基片和ＳｉＯｔ膜之司镀１层ＴｉＯ ｚ膜（折射亭为２ ３２）能够满足上述要求。图２是利用Ｍａｓｓ膜系殴“ 软件根据上述原理设计的增透膜效果图。从图中可 以看出，这种噤透光敢粜很好，在４３０—７００ ｎｍ渡 段．其透射比可以达到０９“。
还是基于液晶显示（ＬＣＤ）和硅基液晶显示
射，在棱镜体对角面处遇到多层偏振分光膜，根据 ＭａｃＮｅｉｌｌｅ提出的薄膜设计原理，对于折射率不同 的２种材料的交界面，总可以找到１个人射角，使之 满足布儒斯特角条件。在这样的条件下，光线由棱 镜左侧入射后，在右侧透射的光为振动面平行于纸 面的Ｐ偏振光，在侧面反射的光为振动面垂直于 纸面的Ｓ型偏振光。为满足布儒斯特角条件，必须 选择折射率满足一定关系的膜料和基底材料。由菲 涅耳原理¨］可知：对于折射率为ｎⅣ和行ｔ的２种材 料和基底折射率ｎ。以及膜层和玻璃基底之间的入 射角吼，这４个量要满足
目２
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ｓｐ￡ｃｔｒｕｍ ｏｆ ｒｅｄｕｃｉｎｇ
射比在９０跖左右。町见此种ＰＢＳ膜能够比较好地分
开Ｓ光和Ｐ光。
ＴｒａＤｓｍＪｓｓｉｏｎ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ
ｃｏＪｔｉｎＥ
３
２体对角面闻偏振分光膜的模拟计算 在薄膜偏振分光镜的直角棱镜的体肘角面问
需要镀制多层介质膜．为了满足在４５‘角＾射¨市 糯斯特角，选择镀制２种介质膜，分别为ＳｉＯ：膜和 Ｔ・０：膜。根据多层膜理论，计划采用提拉法在普通 载玻片上镀膜。制得的样片结构如图３所示。
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Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｂｅａｍ—ｓｐｌｉｔｔｅｒ；ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｆｉｌｍ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ
收稿日期：２００７—１１—１８｝修回日期：２００７—１２—１３
基金项目：陕西省科技厅科技攻关项目（２００４ｋ０５一Ｇ２６）；陕西省教育厅专项项目（０６ＪＫｌ６９） 作者简介：胡晓云（１９５９一），女，陕西西安人，博士，西北大学物理系教授，主要从事薄膜物理研究。
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（ｈｉｇｈ—ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｌｉｇｈｔ）ｃａｎ ｂｅ ｓｅｐａｒａｔｅｄ ｉｎ ｍａｘｉｍｕｍ ｌｉｍｉｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｒａｎｇｅ ｆｒｏｍ ４２０ ａｍ
６８０ ｎｍ．Ｉｎ ｖｉｒｔｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｉｎ—ｆｉｌｍ ｄｅｓｉｇｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｍａｓｓ，ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ ａｎｄ ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｔｉｔａｎｉｃ ｂｅａｍ—ｓｐｌｉｔｔｅｒ ｗｅｒｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ
得到不同波长的反射比恤“）和透射比（ｒ％）曲线
如下图所示。可ｕ看出．反射比和透射比曲线在 ５０％左右．基奉上满足需要。
目４
Ｆｉｇ
４
ＰＢＳｎａ＊№自＆＃＆自§ ｒｅｆｌＨｔｎｎｅｅ ０ｒ ＰＢＳ ｆｉｌｍ
Ｔｒ－一ｌＩｌａｎ…｜１ｄ
另外，利用此软件得到了此种ＰＢＳ膜的Ｓ光和 Ｐ光的透射比和反射比随人射光渡渡长变化的曲 线，如罔５所示。其中Ｒｓ“和ＲＰ蟛分别表示Ｓ光和 Ｐ光的反射比，ＴＳ蜥和ＴＩａ“分别表示Ｓ光和Ｐ光 的透射比。从图中可以看出，在４００～７００ ｎｎｌ比较 宽的波带内，Ｓ光反射比可以达到９５％，Ｐ光的透
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薄膜偏振分光镜原理
薄膜偏振分光棱镜是大屏幕显示中的关键元
２
实验设计
溶胶一凝胶（ｓｏｌ—ｇｅｌ）方法在薄膜的制备上以其
件，采用它和偏振转换装置可以使整个投影系统能 量的利用率提高１倍。ＰＢＳ薄膜既可以使１束自然 光分解成Ｓ偏振光和Ｐ偏振光，同时也可以应用于 Ｓ偏振光和Ｐ偏振光的合成系统。薄膜偏振分光镜 如图１所示。在直角光学玻璃棱镜的体对角面上镀 制多层介质膜（即偏振分光膜），再将２块棱镜的分 光面胶合起来；因为要考虑到膜层和介质的吸收作 用，所以在每块棱镜的分光面镀制多层介质偏振分 光膜的同时，需要在４个直角通光面上镀多层增透 膜，降低光通过棱镜时的反射损耗，从而确保光的
（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００６９，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ
ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ ４５４０００，Ｃｈｉｎａ）
第２８卷专刊
２００７年１２月
应用光学 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ
Ｖ０１．２８ Ｓｕｐ．Байду номын сангаасＤｅｃ．２００７
文章编号：１００２—２０８２（２００７）ＳＯ一００５５—０４
一种宽带薄膜偏振分光镜的研究
胡晓云１，王永强１’２，苗仲海１，江 东１，马一平１，张德恺１
（１．西北大学物理学系，陕西西安７１００６９；２．河南理工大学理化系，河南焦作４５４０００）
图１
Ｆｉｇ．１
薄膜偏振分光镜结构图
３模拟计算
３．１
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｉｎ—ｆｉｌｍ ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｂｅａｍ—ｓｐｌｉｔｔｅｒ
宜角通光面上增透膜的模拟计算 利用溶胶一凝胶法镀制ＳｉＯ。／ＴｉＯ。增透膜。对
如图１所示，自然光垂直于棱镜的直角面入
＃２Ｂ％（々“
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摘要：薄膜偏振分光镜是光学引擎重要的薄膜元件。它要求在４２０－－－－６８０ ｎｍ波段范围内，能最 大限度地分开Ｐ光（高透）和Ｓ光（高反）。本文基于ＭａｃＮｅｉｌｌｅ薄膜设计原理，以玻璃为基底，采用 折射率高低不同的２种薄膜材料ＴｉＯ。（咒一２．３２）和Ｓｉ０。（行一１．４６），利用Ｍａｓｓ膜系设计软件进行 膜系设计，在理论上设计了一种宽带偏振分光镜，得到了在４３０＂－－７００ ｎｍ波段，透射比可以达到 ９９％的薄膜偏振分光镜直角通光面上的增透膜。该偏振分光膜在４００～７００ ａｍ比较宽的波带内 Ｓ光反射比可以达到９５％，Ｐ光的透射比在９０％左右。另外对样品的性能测试方法做了设计。 关键词：偏振分光镜；膜系设计；增透膜；带宽
√，ｚ备＋，ｚ２ 对于垂直于入射面方向的振动，各个层中的光学导 纳是不同的；由于相临２层导纳的跃变，５分量的 光存在反射。将膜系设计成Ａ／４形式，选择适当的 膜厚（Ｓ分量的反射率随层数的增加而增加），使Ｓ 分量的反射光相长干涉。在具有适当的层数后，入 射光束的Ｓ分量基本上被反射，剩余的Ｐ分量的光 就被透射。
ｏｎ
ｔｈｅ ＭａｃＮｅｉｌｌｅ ｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｅ ｗｅｒｅ ｃｏａｔｅｄ
ｏｎ ａ
ｏｘｉｄｅ（恕＝２．３２）ａｎｄ
ｄｉｏｘｉｄｅ（，２＝１．４６）ｔｈｉｎ—ｆｉｌｍｓ
ｇｌａｓｓ
ｓｕｂｓｔｒａｔｅ，ｗｈｉｃｈ ｈａｖｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｉｔ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｆｏｒ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ ｃｏａｔｅｄ