新型紅外反射式偏振器的設(shè)計與研制.doc

新型紅外反射式偏振器的設(shè)計與研制.txt男人偷腥時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.基金項目:上海應(yīng)用物理研究中心基金資助項目(00JC14029);復(fù)旦大學(xué)青年基金資助項目(EX12357)光電器件新型紅外反射式偏振器的設(shè)計與研制張榮君,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)計與研制實例,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驗條件。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,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,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)實驗測量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,由上述公式可以計算得B=73.70,Rs=7098%(=6 000nm),能夠滿足大部分的實驗需要。由圖1可知,根據(jù)Brewster原理,所設(shè)計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,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偏振的反射強度隨入射角的變化3偏振器的設(shè)計與制作在實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,實驗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)計得到完全的紅外S偏振光。整個裝置被安裝在經(jīng)精密計算后設(shè)計的金屬圓筒中。在偏振器的研究中,我們實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)然實際上工藝水準(zhǔn)總有偏差,這時怎樣來調(diào)節(jié)使其符合理論計算和預(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,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,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,出射光的強度和偏振不會發(fā)生任何改變。這一點在實驗系統(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)計要求,且具有以下特點:(1)良好的溫度特性,工作時不需要冷卻;(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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