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消偏振分光镜的设计与特性分析

作　者: 史金辉
导　师: 王政平
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 材料学
关键词: 光学薄膜消偏振反射相移优化
分类号: O484.41
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

当光线倾斜入射时,膜层不可避免地会产生偏振效应,尤其是封闭在胶合棱镜内的膜层更是如此。在很多实际应用中,这种偏振效应是有害的,因此必须消除。迄今为止,能够在振幅和相位两个参量都达到消偏振效果的消偏振分光棱镜（Non-polarizing Beam Splitters:NPBSs）尚未见报道,消偏振分光镜反射相移的问题一直被忽视。此外,目前见于报道的相关研究多集中于可见光波段,但随着现代光学技术的发展,对于红外波段的NPBSs的工程需求日益增长。目前的研究状态显然不能满足工程实际的需求。第三,目前已见报道的NPBSs的光谱带宽最多到200nm,远不能满足某些工程需求。论文针对上述三个问题开展了研究与探索,因此论文的选题具有一定的理论意义和重要的实际应用价值。论文详细地综述了消偏振膜系的研究发展和多种消偏振技术手段,特别是Gilo的消偏振分光器设计思想;利用特征矩阵计算方法,对可见波段的消偏振膜系进行了验证,为红外消偏振分光膜系的设计奠定了基础。论文重点研究了NPBS的相位特性,设计出了振幅和相位两个参量都达到要求的NPBS;探讨了将工作波长外推至红外波段的设计方法并成功地提出了6种设计方案;探讨了拓宽NPBSs带宽的设计方法并实现了具有300nm谱宽的NPBSs设计。论文所作的研究工作总结如下:1.设计了分别以ZF-7玻璃、K9玻璃为基底材料的新型红外波段消偏振膜系。根据受抑全反射原理设计的消偏振膜系及金属-介质消偏振膜系可以满足分光比消偏振的要求,但是反射相移有些偏大。2.首次研究了非对称结构的NPBS,提出了2种不同的结构设计,利用Needle法对膜系进行了优化,优化后2个偏振分量都实现了50%反射、50%透射的目标,且其偏差不超过2%,带宽为20nm。分析了硫化锌（ZnS）、氧化铝（Al₂O₃）、二氧化硅（SiO₂）构成的NPBS的性能,分析了入射角、膜材料折射率的改变对消偏振性能的影响。3.在分析了受抑全反射的相位特性的基础上,提出了基于受抑全反射原理的消偏振条件新的分析方法,设计了超宽波段NPBS。由K9玻璃和氟化镁（MgF₂）构成的NPBS在400nm-700nm之间p-分量、s-分量的反射率与目标反射率50%的偏差均小于2%,但600nm处p-分量的反射率和s-分量的反射率之间偏差超过了2%,为2.30%,此设计最大的优点就是膜系的层数较少,膜系仅8层。4.文中最后研究、设计了金属—介质膜的NPBS,给出了全新的可见光波段和红外波段2种消偏振膜系设计方案。可见波段NPBS消偏振带宽达100nm,在分光比和反射相移2个方面都达到了消偏振的效果;红外波段NPBS的反射相移完全满足式我们所要求的目标,2个分量之间的反射率偏差在1260nm附近较大,为2.169%,2个分量的反射率与目标反射率之间的偏差都小于2%,基本都满足设计要求。满足设计指标的消偏振带宽达80nm,在分光比和反射相移2个方面均已达到了消偏振的效果。根据正交共轭反射镜电流传感器研究的实际需要研制出了红外NPBS,实验测量结果为分光比接近1:1,反射相移小于5度,表明该NPBS的设计方案可行。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章绪论  13-22
  1.1 光学薄膜的发展历史与现状  13-17
  1.2 本课题研究背景  17-19
  1.3 本课题的选题意义和研究内容  19-22
第2章薄膜光学的理论基础  22-37
  2.1 薄膜光学引言  22
  2.2 麦克斯韦方程组  22-23
  2.3 光学导纳  23-24
  2.4 薄膜的特征矩阵  24-28
  2.5 薄膜优化设计理论  28-35
    2.5.1 光学薄膜优化设计的原理  28-30
    2.5.2 评价函数的形式  30-32
    2.5.3 评价函数的形式  32-35
  2.6 本章小结  35-37
第3章消偏振理论  37-57
  3.1 引言  37-38
  3.2 Costich的消偏振理论  38-43
  3.3 消偏振的1/4λ膜系  43-47
  3.4 受抑全反射消偏振膜  47-50
  3.5 金属-介质消偏振膜  50-52
  3.6 双折射消偏振膜  52-56
  3.7 本章小结  56-57
第4章 Gilo消偏振膜系的分析  57-66
  4.1 膜系的偏振效应  57-60
  4.2 设计步骤  60-61
  4.3 理论背景  61-62
  4.4 Gilo的膜系设计  62-65
  4.5 本章小结  65-66
第5章消偏振分光膜系的设计  66-84
  5.1 光学薄膜材料  66-68
  5.2 可见光波段的消偏振设计  68-71
  5.3 红外波段的消偏振分光膜系设计  71-80
    5.3.1 基于Gilo思想的红外消偏振分光膜系设计  72-76
      5.3.1.1 冕牌K9玻璃为基底材料的设计  72-74
      5.3.1.2 重火石ZF-7玻璃为基底材料的设计  74-76
    5.3.2 Thelen消偏振分光膜系设计的红外拓展  76-77
    5.3.3 基于受抑全反射原理的红外膜  77-80
  5.4 材料色散对消偏振膜的影响  80-82
  5.5 消偏振分光棱镜的制作要求  82-83
  5.6 本章小结  83-84
第6章消偏振分光棱镜的性能分析及优化  84-100
  6.1 基于非对称结构的消偏振设计  84-91
    6.1.1 基于ZnS、Al_2O_3、MgF_2的设计  85-88
    6.1.2 基于Ta_2O_5、Al_2O_3、SiO_2的设计  88-91
  6.2 消偏振分光棱镜的特性分析  91-99
    6.2.1 入射角对消偏振性能的影响  92-93
    6.2.2 折射率对消偏振性能的影响  93-96
    6.2.3 消偏振膜系的优化  96-99
  6.3 本章小结  99-100
第7章受抑全内反射的相位特性研究及新的消偏振分析方法  100-112
  7.1 相位特性的研究  100-106
  7.2 消偏振条件新的分析方法  106-108
  7.3 基于受抑全内反射的超宽带消偏振膜系  108-111
  7.4 本章小结  111-112
第8章金属-介质膜消偏振的理论设计与实验测量  112-128
  8.1 可见波段的金属-介质膜消偏振分光镜设计  112-114
  8.2 红外波段的金属-介质膜消偏振分光镜设计  114-119
  8.3 反射相移的测量方法  119-122
  8.4 NPBS的实验测量结果  122-127
  8.5 本章小结  127-128
结论  128-131
参考文献  131-142
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  142-144
致谢  144-145
个人简历  145

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