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激光偏振分光棱镜的设计与测试

归档日期:07-03       文本归类:光学干扰      文章编辑:爱尚语录

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  即 西 冶匀夜 、 与 十 分 , 侧、 三 式 何 孟权 郑 颖君 , , 欲 将 一 束 单 色 平 行 自然 光 的 尸 分 量 和 中的 尸 分 量 反 射 为 零 分透射 透射为 , 分量则部分反射 部 置 分开 , 达 到偏振 和分 光 的作 用 。 在 激 光 技术 , 为提 高 , 分 量 反 射 率 同时 保 证 尸 分 量 、 和 干 涉 计 量 技 术 中应 用 甚 广 我 们 所 制作 的 激 能 基本上 , 将两 种高 低 折 射 率 材料 交 替 地 构 膜 层 的厚度 如此 选择 , , 光 偏 振 分 光 棱镜 是 一 种 薄 膜 偏振 器 成 多 层 高 反 射 薄膜 堆 , 对 尸分 量全透射 振 和分 光 的 要 求 分 光 的特 点 一 、 。 , 分 量全 反射 从 而满足偏 使 反 射 的 多束 层数 后 , 光 产生 相 长干 涉 , 在具 有适 当 。 , 且 具 有 减 少 能 量 损 失 和 中性 入 射光 束 的 分 量基本上全 反 射 , 考 , 虑 两 平 行 表面 如 果 使 第 一 表 面 反 射 的 光 与第 则二 束光相 长干 涉 一 个 多层 介 质 膜 的 各 层 表 面 能 原 理 探 讨 与设 计 方 案确 定 , 二 表 面 反 射 的光 同 相位 众 所 皆知 在 薄膜 光 学 中 , 反 射 率可 以 这 增加 反 射 光 强 反射 更 多 的光 , 。 样表示 月 月 若使每层表面 反射 的光 位 相差 , 一月 月 为波长的整数倍 则可 以 达 到 很 高 的 反 射 率 , 考虑 到 半 波 损 失 甲 , 这 时 必 须 满足 。 、 式中 月 一 对于 尸分量 。。 。 , 。一 飞 ? 甲 对于 分量 分量 。 显然 , 当一 束 自然 光 倾 斜 入 射 在 两 种 不 同 , 厌。 令 一梦 一 折 射 率 的 材料 界 面 上 时 的 反 射 系数 不 同 部 分 偏振 光 果 。 。 由于 尸 分 量 和 , 因 而 反 射光 和 折 射 光 就 成 为 求得 ? 这 种 偏 振 效 应 是 由于 电场 和 磁 场 , 二 ” 。 令 韶 入 。 , 之 、一 份八 入 一 , 十 “ 在 膜层 的 每 一 界 面 上 的 切 向分 量 均 连 续 的 结 对于 偏振 光 电矢 量 垂 直 于 入 射 面 , , 杯心 十 破 。 各 乙 ” 层 的 有效 光 学 厚 度 为它们 的实 际厚 度乘 以各 自 ‘ 从 } 在 该 层 中折 射 角 的 余 弦 各 层 的 有 效 折 射 率 包 括入射 介质 和基 片 的 因子 二 十 又“ ‘ 为 它 们 的 折 射 率 乘 以 同样 , 丛 亘王 匕夏 亚 月‘ 而 对 于 尸 偏 振光 , 电矢 量 平 行 于 入 射 面 , 虽 然 各层 的 有 效 厚 度 同 样 是 实 际 厚 度乘 以 尸 分 量在 膜 层 界 面 上 的 全 透 过 则 靠 布儒斯 折 射 角的 余弦 但 有 效 折 射 率 却 是 它 们 的 折射 。 特 角 入 射来 保 证 , 我 们 设 计 的 偏振 分 光 棱 镜 正 。 率 除 以 同 样 的 余弦 因 子 因而 , 对 于 尸 偏振 有 , 是基 于 此 原理 而 制作 空气 的话 ’ 效 折射 率 总 是 大 于 膜 层 的 实 际 折 射 率 而 , 偏 无论 、 对 大 多数 常 用 膜 料 而 言 , , 如果入 射 媒 质 是 , 振 有 效 折射 率 则 总 是 小 于 实 际 值 一 。 但是 布儒斯 特 角 的 计 算 表 明 都大 于 高 折 射率 还 是 低 折 射 率 层 有效 光 学 厚 度 对 尸 波 长 当 以 布 儒 斯 特 角入 分 均 满足 一 一 , 所 以 把 膜 堆 胶 合 在 玻 璃 中改 变 入 射 媒 质 , , ”一 ‘ 射时 , 反射光成 为完全 的偏 振 光 牛一 。 『 一 ”一 一 , ’ ‘ ’‘ 折 射率 器 克 服 了这 一 点 而 构 成 棱 镜 型 偏 振 分 光 所示 。 此 时光束 如图 率 , 但 往 往 没 有 合 适 的 玻 璃材 料 即 使 有 材 和 ‘ , 但 为 了 维 持 布 儒 斯 特 角条件 入射 了 名 。 , 显然不能 用 ’ 另 外可 以 采 用 干 涉 相 消 的 方 法 消 除 二 , 蔗 界面 的 尸分 量 反射 只要使 异 ‘ 的位 相 差 与 麟 , 」 为 的奇数 倍 即可 。 。 以下对 几 个 典型 膜 系 的 相位 问 题 进 行 分 析 甲 一 , , 甲 印 “ , 乙 一 。, 此 类膜 系 第 一 界 面 为光 疏 , 光 密 媒 段 , 维 得到 一 ‘ , 二 界 面 为光 密 从 一 , , 光疏媒质 , 存 在 半 波 损失 ‘ 一 。 。 , 一 百千 万 而丈互 百 得到 。 。 这 表 达 式 分 析 亦可 得 到 ,, 布 儒 斯 特 角条 件 可 以 由 一借 。 。 。 一 乡 。 , , ,, 孤 一 。 。 再 由折 射 定 律 ‘ 少生 ‘ 。 ‘ 得 “ , 而 如图 和 布儒斯 特 角 , 所示 ‘ 假定 薄膜 折射 率 、 确定 , , 已 响 根 据 折射 定 律 有 。 。 。 解出 介 或 璃 的折射 率 有 两 种方 法 , 其一选定玻 璃 求 出 ‘ 。 棱镜入射 角 氏 。 其 二 给定 入射 角 来确 定 玻 我 们采用 、 由 于 使 用装 校 的 要 求 , 第二 种方 法 联立得到 , 确 定 ‘ ’ , 由 月 ‘ 二 乙 一月 斗 九刀 伙, 一 一 湘 州 二 , 乙 , 一 , 乙 。。 。 首 先 决 定 膜 层 的 材料 镀 膜材 料 由式 。 欲 反 射 系 数大 , , 则 相 邻膜 层 的 材 料 折 射 率 差 要 大 的 得到 梅 玻璃 ‘ 一般选常 用 的 的 , 和 , 。 本 设 计 选 用折射 。 夕、 , , ‘ 一 一 。 — 。 一甲 一 丁二万 一 下 丁 ‘ 廿。 ‘ 干一 率 相近 的 。 。 但 是 这 样 的 设 计 只 是 在 两 种 薄膜 材 料 之 间 乙 一 ’ 儿‘ 一 ? 的界 面 上 满足 布儒斯特 角条 件 面 上 尸 分 量 的 反射光 反射 , 。 , 消 去 膜 层 内界 , 一 而 在 薄膜 与棱 镜 界 面 上 , — 刀, ’ 布 儒 斯 特 角 条 件并 未 得 到 满 足 仍有 尸分量的 , , 一 生 刀 子 , , 一 因 而 会 严 重 影 响到 反 射 光 束 的 偏 振 度 所示 。 ”。 一 ‘ 如图 , 奈 ? ? ‘ 。 为 了 消除 这 不 希 望 有 的 尸 分 量 反 射 使膜系 中 层或 , 可以 一 乡 ’ 层 的 折 射率 等 于 棱 镜 的 折 射 选 瓮 ? ?‘ ‘ 一 。 ” ‘ ? ’ 如图 度是 二 , 所示 。 半波 位 相差 , , 只要 整 个 膜 系 位 相 厚 度 是 , “ 的 这 是 界面 上 的情 况 的 偶数 倍 二 , 而 整 个 膜 系 的 位 相厚 , 偶 数 倍 仍可 保 证 弓 ‘ 产 生 相 消 干 涉 效 应 图 如 即 对 尸 分 量 满足 半 波 厚 度 , 所示 , 。 的 倍数 所 以全 为虚设层 因此对 整体 而 言 和 嵘的 位 相 差 为 干 涉效应 。 弓 ‘ 类亦 然 ‘ “ 。 的奇数倍 俐 , 从而可达到相消 仍 类 的奇 数 倍 , 膜 层位 相 为 有 半 波差 相长干 涉 帝 。 加 之 二 界面 又 , 诸如 见 的分析 因此会使 弓 嵘产生 类亦 然 。 然而此 类膜 系 首 尾 二层 为 高折 寸 率 , 层 , 。 , 如 果 膜 的折 射率大于 基 片 折 射 率 振 则 起 因此 对 提 高 光 反射率有 虽然此 类膜 系的 二 个 界面 均从 光疏 , 光 密 到增强 反射 的作 用 益 、 媒质 , 在 垂直入 射或掠 入 射下 电矢 量未 附加 , “ 位 相差 从 但倾斜 入 射 情 况 又 如 何 呢 二 二 层的 计算 , 根 据众 所 周 知 的 导 纳 矩 阵 我 们计 算 了膜 , 止 归乙 。 分 量和 尸分量 的反射率 , 和 。 设介 仍可得到图 所 示 相 位 曲线 质 为 无 吸 收材 料 则 反 射 光 和透 射 光 的 偏 振 尸 一尸 、 , 度 万石 片 不 万 , 一 , , 一 以 下 为 各 膜 系计 算结果 入 、 人 膜 层 结构 ‘ 弓 ‘ 名 工一 户 一 ‘ 毛 毛 三 、 选 择 膜 系 与影 响 因 素 分 析 选择 膜系 又 、 军 魔 豁黔 。 ‘ 与 比较 二 , ’ 选择 了 , 。 。 二 ? , 丛乙 一 乙 一 , 根据计算 镀 制时 的 控 制波 长分 别 为 一 一 一丛 ? 一卫 兰 一 丝 甲“ 人 二 声 一 , 一 ‘ ? ‘ 李器 。 、 娜 , 一 朴 甲乙 旦 旦 二 人 人 这 里 可 以看 到 密 , , 虽 然 二 界 面 均 为 光 疏‘ 光 价 , 然而入射 角 矢 而 氏 所 以仍 有 其中 ‘ , 甲 ‘ 月“ , 甲。 理 论 设计值 , 因 此 反 射光 中 的 尸 分 量是 不 能 达 ‘ 到 , , 值 , 以 膜 系 为 例 计算 如 下 甲乙 甲乙 折 射 率偏 差 。 考 虑 到光 电 倍 增 管 的 光 谱 响 应 范 围 人 以第二 极 值 控 制 低 折 射 率 人的 入 层比 了 ‘ , 采用 即 以 。 二 一 层 , 。 ‘ , 一 一 二 肠 肠 代之 以 ‘ 人的 入 因此 , 九二 层 应用极值法易 于控制 一 一 肠 。 与 丫 比较 , 选 择 ” 。 低折射率材料 为 , 其 张 , 可 见 制 备 工 艺 中很 关 键 的 问 题 是 要 使 薄 膜 折 射 率尽 量 靠近 理 论 设 计值 。 应 力 比 较大 于棱镜 而言 , 高折 射率材料 高低折射率层 交替 , 为压 应 力 对 应 力 相互 补 , 膜 层 有 效 光 学 厚 度偏 差 的 影 响 偿 偿 , 但 其 控 制 波 长 各异 , 制备时要 用二块 比较 会 因 张 应 力 的 累积 而 , 对 光 的 反 射 率而 言 , , 将 影 响其干 涉 加 强 ‘ 片分 别 控制 , 因 此 比较 片 上 的 应 力不 能 相 互 补 层次过多 , 的相 位 条件 之 实 现 一 以 膜 系计 算 如 下 而 。 光 学厚度偏差 肠 。 。 产生裂膜 尸 消 , 前面 已 经 讲 到 虽然 在 膜 光 。 系 与 基 板 的二 个 界 面 上 。 尸 光 反射相位差 不 能相 一 肠 肠 但 首 尾 层 采 用 高折 射 率 材 料 可 以 提 高 乙 月, 。 的 反射率 一 帕 膜 系也 进 行 了 镀 制 。 对 影 响偏振 分光 镜偏振度 的诸 因 素 的 分 析 与计 算 另 层的影响 乞 光 学 厚 度 偏 差 要 控 制在 装 校 角度偏 离 ‘ 士 肠以内 。 使 用 中装 校 角度 误 差 影 响 角 。 , 将 破 坏 布 儒 斯特 角 美 国 专 利 《 激 光 偏 振 分 光 镜 》 曾谈 到 中 使 用 的 任何 粘 合 剂 或 胶 器 的功率 只有 , , , 条件 实 现 。 ‘ 膜系 在 大 功 率 密度 激 光 束 中将 会 损 坏 光 学 装 置 中所 因而 发 明 用 一 种 氟 的 。 角 度 “ 碳 氢 化 合 物 液体 代 为 胶 合 剂 本 设 计所 用 激 光 的加 , 故 我 们采 用 , 拿 大 树 脂 胶 或 抿 山树脂 胶 作 为粘合剂 虽然其 折 射率不 同于棱 镜 玻 璃 的 折射 率 有影响 。 但 经 计算 证 人的 明 对 其 偏 振 分 光 镜 的 光 学 特 性 与 偏振 度 几 乎 没 将 胶层 设 为 , , 一 层 薄 膜进 行 计 算 膜层 结 构 ‘ 结果是 鱿 欲将 偏 振 度 保 证 在 肠 以上 ’ , 使 用 中装 校 ‘ 角度 偏 差 范 围 在 。 ’ 。 可 见 胶 层 影 响 不大 四 、 制备 , 材料折射 率误 差影 响 折 射 率受 到蒸 发 工 艺 影 响 , 激光 偏 振 分 光 棱 镜 的 制备特 点在 于 其 高低 一般难 以达 到 折射 率层 的控 制 波 长 不 同 要分 别 用 和 二 块 比较 片来控制 理 推导 的 薄膜反 射 率 。 , 根 据 多光 束 干 涉 原 加 品率 , 。 ’ 膜 系 制备 比 较 顺 利 。 , 提 高 了成 保证 了质 量 、 一 。。 山 乃 一 八 “ 一 八 自 一 。 其中 乙 层 的光 学厚 度 — 。 “ 一 亘 日 夸 盗 一 ’? ? ‘ 五 浏试 , 用 椭 圆偏 振 仪 可 以 方 便 的 测 量 透 射 光 的 偏 等 ? ’ 令 , 振度 , 而且 精度高 , 操作方 便 , 但不能测量 反 , 射光 偏 振 度 原理 如 图 所 以 就 自行 制作 了 一 架 既 能 测 量 其测试 , 于 ‘ 甲 。 应 用 极值法来 控 制膜 透 射光 又 能 测 量 反射光 偏 振 度 的 装 置 。 , 因 为 使 用 时是 倾 斜 入 射 的 , 在 图 中通 过 转 动 起 偏 棱 镜 图 , 可得 , 但 镀 制 时 是 以 垂 直 入 射 光 束 来控 制 折 射 率层 的控 制 波 长 分 别 为 入 久 ,, 所 以高 低 到 偏振光 或 偏振光 。 图 从 而 进 行透射 和 反射 偏 振度 测 量 人 测 量 时偏 振 度 的 计 算 式 是 一 人 , 几 , 层 采 用 第二 极 值 控 制 ”’ 提 高 了精度 因兔 , 二 一耳 一 , 所 以在 层 控 制 片 预 镀 一 层 高 折射 率 。 几 , 使 其 易用 透 射 控 制 制备过 程 中 , 图 , 中使 用 的 检 测 仪 是 直 流 复 射 检 流 计 , 比 较 突 出 的 问题 是 , 虽然棱 , 内阻 问题 佳 , 考 虑 到 硅 光 电 池 接 收 灵 敏度 的 线 性 时 , , 镜 的膜 系是 高 低 折 射 率交 替 然 而 控 制 片是 分 别 的 由于 张 应 力 的 累 积 , , 应 力 相 互 补偿 , , 当硅 光 电 池 在 外 路 阻 抗 为 电阻 线 性最 因 此 屡 次 出现 层 在 输入端又并 联一 。 目 的是 减 小 膜层 龟裂 给 制备 层 数 较 。 外阻 多 的 膜 系 带来 困 难 二 棱镜 对 胶 的 办 法 。 我 们采 用 了 在 同一 罩 中 的 胶 层在 两 膜 层 之 间 经计 。 以下 为 测 量 结 果 , 膜 ‘ 系 一 签 ? 二 算光 学特 性不 变 , 这 样 使 和 被测 棱镜 夕 叮 二盔夕 仁与 为 了避 免 光 学 零 件 定 中 心 磨边 过 程 中 造 成 腐蚀 , 以往 采 取 的 措 施 如 , 对零 件进 行 预 热 , 防 止 零件和 接 头 沾有水 渍 避 免 火 焰 直 接 与零 表 样品 二 , 一 曰 , 处 理 方 法 涂 乙 基 含 级二 抓 硅 烷 混 合液 磨 边 完毕 置 于 酒 精 中脱 水 小 时 , , 清洗 前放 置 空 气 中 时间 小时 结果 光 学零 件定 中心 磨 边过程 中的 防 腐 蚀 杨 在光学零件冷加工过程 中 表 面 腐蚀 的最 经 常 液 , 、 … … … 表面完好 舟 工 龙 〕 行口 了 未 涂 乙 基 含 氢二 叙硅 烷 混合液 磨边 完 毕 置 于 酒 小时 精 中脱 水 分 钟 , , 极演的 水 痕 印迹 , 水 是 引起 玻 璃 。 最 直接的 因素 , , 尤 其在光 ,, 二 ‘ 二 , 三 二介 , 涂 乙 基含 红二 饭硅 烷 混 , 合液 磨 边 完 毕 里 于 空 气中 , , 一 表面 完好 , 学 零 件定 中 心 磨 边 过 程 中 零 件往 往 被 水腐 蚀 大 多采用水作冷却 。 孟 造 成 大量 零件退 修 , 未 涂 乙 基 含 氢 二 叙硅 烷 , 棍 合液 磨边 完毕 里 于 空 气中 , , , 严重的 水 痕 印迹 产 生 这 种 腐 蚀 的 原 因大 致 有 三 方 面 如 果 玻 璃 表面 沽 有 水 面 被 酒 精灯 加 热 后 零件 干净 〕戈 , 沾水 的玻 璃 表 。 一 品一 — 上述 件 接触 磨 边 完 后 用 酒 精 脱 水 — 措 施 都 不 , 。 里 鱿 一 一」 一一匕一一一 , 能很快形成水印 , 。 能 有 效 地 避 免 腐蚀 根 除水 的存 在 硅烷 。 , 因 为这 些 措 施 均 不 能 彻 底 磨 边 接 头 内存 有 水 时 磨边完毕后 , 用 酒 精灯 加 热 目前 我 们 使 用 了 乙 基 含 氢 二 氯 , 能使 抛光 表面 产 生水 印 , 混 合液对 零 件抛光 表面镀 保 护膜 , 。 抛 光 表 面 的 水 渍处 理 不 。 提 高 了抛光 表面 的憎 水性 有 效 地 防 止 了光 学 造 成 抛 光 表 面 出现 水 痕 〔 零 件 在 定 中心 磨 边 过 程 中造 成 腐 蚀 〔 〔 〕 〔 〕夕一 〕 气 〔 互〔 汉〔 〕 〔 〕戈 〕二 〔 〔 〕 〕〔 〕 〕 汉 二 〕 丈 〔 〕 〕〔 二 飞 〔 〕 〕工 , 〕〔 浓 工 〕工 五 ‘ 一 朴 , 被 测 棱镜 几 何 尺 寸偏 差 引起 光 路 偏 。 弓 大 离 大 ’ 。 , 使 硅 光 电池 接 收 区域 不 一 致 , 为此可通过 。 五 了 ‘ 调整 使接收区 域达到一致 , 或 采 用积 分 球作 为 接 收器 以 消 除 光 路 偏 折 带 来 的 影 响 肠 以上 , 毛 硅 光 电池 光 电灵 敏度 线 性 问 题 而 。 , 并 联 以 上 膜 系理 论 计 算 均 能 达 到 电阻 以 减 小 外 路 阻 抗 到一定影 响 , 。 从 测 量 结 果 看透 射光 较好 , 反射光 有 的较差 由于 整 台 测 试 装 置 比 较 简 陋 , 读 数精 度 受 分析原 因 引起 , , 这 主 要 由 于 制 备 中控 制波 长 的 偏 差 反 射光 的 相 长干 涉 但 把从 椭 圆偏 振 仪上 所 得 到 的透 与本装 置 透 射光 数 。 , , 因为膜厚 的偏差 对 , 射 光 数据 据相比 , 仅能 测 透射 光 比较 一 致 影 响较大 对 尸 光 则在与基板交 界 的二 反 射光 , 所 以还是可 靠 的 相 消 相位 差 有 影 响 但 比 对 光 的 影 响 小得 多 , 。 纵 观 各 类 膜 系 的理 论 计 算 值 测量 结果 等方 面 离 入 。 制备工艺 ‘ , , , 对 测 量 精度 作 定 性分 析 要 相 应 采 取 一 些 措施 激光 光 源 的 稳定性 , 有 以 下 几 个 因素 对 , , 最佳 膜 系 为 , 其 , 理 论 值 和 测 试值 都 较好 一 且 镀层较少 膜厚 偏 , 管进 行 的 可 能 性 亦 少 若 偏 振 度 要 求 不是 太 高 毛, 。 挑选后 显好转 , 并将其 预 热 半小时 以上 不致造成读 数困难 , 输 出波动 明 , 则 可 考虑 采 纳 则 ‘ 其 工 艺最 简 单 镀层 , 。 , 。 最 少 若 采取 对 胶 二 块 一 罩 蒸镀 的棱镜 的办法 在 工 艺 上 就 简 单多 了 。 起 偏棱 镜 的 光 轴 定 位 及 偏振 度 光 轴采 用 极值 位 置 光 学 方 法 定位 机 械 定 位极 不 可 靠

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