新型紅外反射式偏振器的設(shè)計(jì)與研制.doc

新型紅外反射式偏振器的設(shè)計(jì)與研制.txt男人偷腥時(shí)的智商僅次于愛因斯坦。美麗讓男人停下，智慧讓男人留下。任何東西都不能以健康做交換。收稿日期:2003-05-12.基金項(xiàng)目:上海應(yīng)用物理研究中心基金資助項(xiàng)目(00JC14029);復(fù)旦大學(xué)青年基金資助項(xiàng)目(EX12357)光電器件新型紅外反射式偏振器的設(shè)計(jì)與研制張榮君,周鵬,李莉,王松有,陳良堯(復(fù)旦大學(xué)光科學(xué)與工程系,上海200433)摘要:常用的反射偏振器是利用Brewster角原理,由被拋光的介質(zhì)基底表面及透明或吸收基底鍍以薄膜而組成。文章給出了一種在紅外區(qū)直接在Si晶體表面應(yīng)用Brewster角原理使P分量反射后受到抑制,從而得到S分量反射的新型紅外偏振器的設(shè)計(jì)與研制實(shí)例,并對其性能做了簡單的物理測量。關(guān)鍵詞:偏振光;紅外偏振器;布儒斯特角;反射偏振器中圖分類號:TN929文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1001-5868(2003)06-0399-03Design and Fabrication of a Novel Infrared Reflection PolarizerZHANG Rong-jun, ZHOUPeng, LI Li, WANG Song-you, CHENLiang-yao(Department of Optical Science and Engineering, Fudan University, Shanghai 200433, CHN)Abstract:A conventional polarizer is composed of a polished dielectric substrate and/or a coatedtransparent or absorption substrate based on Brewster reflection theory. In this paper, a newtype of reflectionpolarizer is introduced, which is directly made with the Si surface in the infrared region. As a result, apolarizerwithS componentreflection restrained P componentreflection is obtained. The physical characteristicsof this new polarizer are given.Key words:polarized light; infrared polarizer; Brewster angle; reflective polarizer1引言在許多紅外光譜學(xué)測量中,常常需要用到紅外偏振器來滿足實(shí)驗(yàn)條件。比如,在使用旋轉(zhuǎn)偏振器類型的橢圓光譜測量中1,需要對各種材料的橢偏參量和進(jìn)行精確測量,來獲得材料的復(fù)介電函數(shù)和其他光學(xué)常數(shù),進(jìn)一步由此研究材料的光學(xué)性質(zhì)和應(yīng)用。一個(gè)良好性能的偏振器還有助于利用橢偏術(shù)更好地研究處于各種不同環(huán)境中的半導(dǎo)體表面及金屬表面的氧化問題。同樣,在材料的表面以及微電子學(xué)研究中也廣泛地用到橢偏光譜學(xué)的方法。2工作原理應(yīng)用半導(dǎo)體材料作為基底利用Brewster角原理構(gòu)成反射偏振器已有報(bào)道2。另一種最簡單的反射偏振器是在基底鍍以透明的薄膜而構(gòu)成。這種反射偏振器工作的機(jī)理是在薄膜中對于某一種偏振分量相消干涉的結(jié)果,或至少是部分相消干涉的結(jié)果。當(dāng)P分量被抑制時(shí),未被抑制的S分量達(dá)到較高的反射率。應(yīng)用介質(zhì)基底的這種類型的偏振器,如利用鍍于玻璃上的TiO2薄膜等。我們采用了一個(gè)在紅外區(qū)直接在Si晶體表面應(yīng)用Brewster角原理使P分量反射后受到抑制,從而得到S分量反射的新型紅外偏振器。根據(jù)Brewster角反射原理,當(dāng)光以Brewster角B入射到界面時(shí),B=tan-1n,式中n是基底的折射率。P偏振分量在反射光中被抑制,而S偏振分量的反射率可由下式給出3:Rs=n2-1n2+12(1)在紅外區(qū),Si和Ge這樣的半導(dǎo)體材料變?yōu)橥该鞑⑶揖哂斜匾母哒凵渎手?。Ge在紅外光譜范圍(2399半導(dǎo)體光電2003年第24卷第6期張榮君等:新型紅外反射式偏振器的設(shè)計(jì)與研制00013 000 nm)折射率n=4,由公式B=tan-1n知B=75.96,Rs=7785%。利用Ge晶體作為反射偏振核心部件的文章已有報(bào)道4。但由于Ge單晶的表面性質(zhì)不夠穩(wěn)定,所以我們不采用Ge晶體。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測量Si在紅外區(qū)域的折射率如圖1所示1,Si在120m波段紅外區(qū)折射率約為3.43,由上述公式可以計(jì)算得B=73.70,Rs=7098%(=6 000nm),能夠滿足大部分的實(shí)驗(yàn)需要。由圖1可知,根據(jù)Brewster原理,所設(shè)計(jì)的偏振器可適用在很寬紅外波長范圍內(nèi),對于S光反射率保持在69.2%72.1%。對于空氣和Si界面,p偏振與s偏振的強(qiáng)度反射率Rp和Rs隨入射角的變化可以用圖2來表示5。由圖2可知,入射角在76.13時(shí),p達(dá)到了最小值。圖1Si在3 0009 000 cm-1光譜區(qū)的折射率圖2p、s偏振的反射強(qiáng)度隨入射角的變化3偏振器的設(shè)計(jì)與制作在實(shí)際的器件研制過程中,Si晶體的工藝制備難度較高,也是相當(dāng)關(guān)鍵的因素,往往正是由于工藝制作的困難,導(dǎo)致晶體不可能非常完美,從而需要很精細(xì)的調(diào)試。圖3所示為該新型紅外反射偏振器的幾何光學(xué)設(shè)計(jì)示意圖。圖3中,紅外波長的光矢量以Brewster角入射,S光在三角形硅晶體一側(cè)表面直接得到反射,反射到鍍金薄膜的反射鏡上。我們利用紅外橢偏儀(IRSE)1對金膜進(jìn)行了測量,實(shí)驗(yàn)證明用金膜作為反射鏡,在紅外區(qū)有良好的反射性能(R95%)。并且我們同時(shí)在紅外區(qū)對Ag膜進(jìn)行了測量,反射率R97%,但由于Ag表面易氧化,明顯沒有Au表面性質(zhì)穩(wěn)定,為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,采用了反射率不是最高但性質(zhì)穩(wěn)定的Au膜作為反射鏡。對比測試結(jié)果如圖4、5所示。圖3新型紅外反射偏振器的幾何光學(xué)設(shè)計(jì)示意圖圖4Au在3 0009 000 cm-1光譜區(qū)的反射率圖5Ag在3 0009 000 cm-1光譜區(qū)的反射率精確設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)Si晶體與Au膜的相對位置,使得S光在經(jīng)Au膜反射后,由Si晶體的另一側(cè)表面反射至原入射光的延長線上,即沿原光路傳播。而P光則由于折射與原光路分開。由此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到完全的紅外S偏振光。整個(gè)裝置被安裝在經(jīng)精密計(jì)算后設(shè)計(jì)的金屬圓筒中。在偏振器的研究中,我們實(shí)際采用的晶體幾何參量具體分別為CD=14.36mm,DEC= 16。因此,在ABC中,AB=BCtan 74;在ABO中,AB=OBtan 58。所以,OB=BCtan 74tan 58=12CDtan 74tan 58=1.09CD=15.65 mm,OC=OB-BC=059CD=847 mm,OD=OC+CD400SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICSVol.24 No.6 Dec.2003=2283 mm。4偏振器的制作與主要技術(shù)指標(biāo)圖6為應(yīng)用Brewster角原理而制作的Si晶體,晶體研制完成后,將其安裝在經(jīng)過具體計(jì)算的金屬圓筒里,偏振器的總體外形如圖7所示。圖6應(yīng)用Brewster角原理而制作的Si晶體圖7封裝后的新型紅外反射式偏振器為了調(diào)節(jié)光路,使經(jīng)過反射的偏振光為完全偏振光,必須將偏振器在一個(gè)穩(wěn)定的支架上進(jìn)行調(diào)試。要將出射光為完全偏振光,實(shí)際上就是調(diào)節(jié)反射用金膜的高度和傾斜角,如果金膜和晶體底面完全平行,高度達(dá)到所計(jì)算高度,那么,理論上講我們就一定會得到完全的S偏振光。當(dāng)然實(shí)際上工藝水準(zhǔn)總有偏差,這時(shí)怎樣來調(diào)節(jié)使其符合理論計(jì)算和預(yù)期值就非常重要了。我們采用OZ Optics Ltd.(Canada)所生產(chǎn)的Fiber optics Stable Source作為穩(wěn)定連續(xù)的激光輸出源,利用光纖將其引至三維精密光學(xué)調(diào)節(jié)架上,以便調(diào)節(jié)使光路準(zhǔn)直。在調(diào)節(jié)反射金膜時(shí),我們采用內(nèi)嵌式彈簧來調(diào)節(jié)金膜高度和仰角,利用拓寬螺孔的辦法來調(diào)節(jié)金膜于圓筒的相切程度。這樣,我們能夠完全調(diào)節(jié)反射金膜的所有自由度,從而使光路達(dá)到預(yù)期值。另外,我們設(shè)計(jì)的紅外偏振器不同于國內(nèi)外光學(xué)公司生產(chǎn)的偏振片,在紅外區(qū)用光學(xué)玻璃所做的偏振片很稀少。而且偏振片很大程度上依賴光軸的取向,當(dāng)偏振片旋轉(zhuǎn)時(shí),出射光會隨之發(fā)生改變。調(diào)節(jié)后的偏振器與其旋轉(zhuǎn)無關(guān),也就是說,當(dāng)金屬圓筒做周期性旋轉(zhuǎn)時(shí),出射光的強(qiáng)度和偏振不會發(fā)生任何改變。這一點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中非常重要。調(diào)節(jié)過程完畢后,我們還測量了所設(shè)計(jì)的偏振器的一些性能參數(shù),如表1所示。表1新型紅外反射式偏振器的性能指標(biāo)直徑/mm長度/mm中心主偏振光偏心度/偏振度反射率/%55.0 105.00.01 10-4745結(jié)論利用在紅外區(qū)(120m波段)半導(dǎo)體材料光學(xué)常數(shù)緩慢變化的規(guī)律,成功設(shè)計(jì)并研制了一種基于雙Brewster角反射方式的硅晶體的新型紅外偏振器,其性能參數(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,且具有以下特點(diǎn):(1)良好的溫度特性,工作時(shí)不需要冷卻;(2)很寬的光譜工作區(qū),能滿足多數(shù)材料光譜測量需要;(3)經(jīng)兩次Brewster角反射產(chǎn)生極好的偏振性;(4)入射光和出射光在同一光路,光路調(diào)節(jié)簡單,使用方便;(5)易于取材,便于大量制作和推廣應(yīng)用。參考文獻(xiàn):1Xia G Q, Zhang R J, Chen Y L, et al. 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