780 nm 波段高分光比消偏振分光片的制備及測試

王國超， 黃光耀， 朱凌曉， 李星輝*， 顏樹華*

（1. 國防科技大學 智能科學學院，湖南 長沙 410073；2. 清華大學 深圳國際研究生院，廣東 深圳 518055）

1 引 言

消偏振分光片以其對入射光的偏振態(tài)不敏感、出射光仍能保持入射光的偏振特性，在自由空間光學系統(tǒng)里面得到了廣泛的應用。消偏振分光片與消偏振分光棱鏡統(tǒng)稱為消偏振分束器，但由于分光片沒有光學膠層，相比分光棱鏡具有更高的損傷閾值與更小的光學損耗，能承受更高功率的激光，因此，常應用在光功率要求相對較高的條件下［1-5］。消偏振分光片的原理本質上是在普通分光片上進行消偏振鍍膜。普通分光片通常要求光傾斜入射至分光片表面，但在光傾斜入射界面時，由于電場和磁場的切向分量要滿足在界面兩側連續(xù)的邊界條件，s 偏振光與p 偏振光具有不同的有效折射率，致使透射率表現(xiàn)出偏振效應，即透射率隨著偏振的變化而產(chǎn)生波動，降低光學系統(tǒng)的偏振性能［6］。為了消除偏振效應的影響，通過在分光片表面鍍制特殊的薄膜可以實現(xiàn)消偏振分光。

消偏振分光的性能主要用p 偏振光與s 偏振光之間的透射率偏差來衡量。目前，常用的消偏振分光片的透射率偏差一般為5%左右。在精密光學領域，由于光的偏振態(tài)會影響器件的分光比及透射率等參數(shù)，故系統(tǒng)器件要具有更小的透射率偏差［7-8］。例如，冷原子干涉系統(tǒng)要求原子操控激光的功率必須穩(wěn)定，但在分光時激光的偏振變化會引起激光功率的震蕩，從而降低功率穩(wěn)定度。在量子通信領域，光偏振態(tài)的不穩(wěn)定會提高系統(tǒng)的誤碼率，進而影響通信碼率［9］。此外，一些其他應用場景還要求光學器件具有高透射率甚至是全透射［10］。大多數(shù)利用分光反饋進行激光功率穩(wěn)定的系統(tǒng)，其反饋回路中的分束器應具有高的分光比，盡可能提高輸出功率，從而提升系統(tǒng)的輸出效率。但是，分光比越高，透射分量與反射分量所產(chǎn)生的微小擾動會使分光比產(chǎn)生很大的波動［11］。在高分光比下，消偏振分光片的穩(wěn)定分光更難實現(xiàn)。因此，需要對消偏振薄膜進行精細化設計，使它在實現(xiàn)高分光比的同時具備良好的消偏振性能。

針對上述高分光比消偏振的要求，最有效的解決方案是在鍍膜機制上使用折射率匹配的多層膜結構，在特定的波長范圍內有效地降低偏振效應［12］。Gilo 等使用3 種不同折射率材料實現(xiàn)了消偏振膜設計，但其膜層多達20 層，且透射率不能在特定波段保持恒定［13］。王文梁等在Gilo 的基礎上設計了近紅外雙波段消偏振分光膜，其膜層數(shù)高達38 層，然而，膜層數(shù)過多不利于實際工藝中的薄膜鍍制［14-15］。膜層的厚度對薄膜的光學性能有很大的影響，要實現(xiàn)良好的消偏振效果，鍍制膜層的膜厚要精確控制到納米級別［12］。

本文通過分析偏振效應，采用低折射率SiO2和高折射率材料Ta2O5兩種不同材料進行消偏振薄膜的構造，并使用Needle 優(yōu)化法實現(xiàn)膜系優(yōu)化，設計并鍍制了750～810 nm 波段的消偏振分光膜，在目標波段中實現(xiàn)了穩(wěn)定的分光比，且透射率偏差小于0.2%，該分光片具有優(yōu)良的消偏振性能。

2 消偏振分光片的設計與制備

2.1 消偏振理論

偏振光可被分解為兩個相互垂直的極化波的疊加，選取電場矢量垂直于入射面的分量為s偏振光或TE 波，而電場矢量平行于入射面的分量為p 偏振光或TM 波。當光波以入射角θ入射至折射率為n的介質時，p 偏振光與s 偏振光會表現(xiàn)出不同的有效折射率np，ns，如下［13，16］：

因此，當光的偏振方向改變時，介質將具有不同的透射率。根據(jù)電場切向分量和磁場切向分量界面兩側連續(xù)的邊界條件，在折射率為n1和n2的兩個理想介質分界面上，當光波以角度θ1入射時，透射角為θ2，s 偏振光和p 偏振光的透射率為：

其中ζ為光學有效導納，其公式如下：

透射角θ2可通過菲涅爾方程n1sinθ1=n2sinθ2得到。從式（2）可知，s 偏振光與p 偏振光的透射率不同，并且會隨著入射角的變化而改變。這種不同偏振光具有不同透射率的效應即為偏振分離效應［17］。偏振分離程度可以用p 偏振光和s 偏振光的光學有效導納的比值來衡量。對于單界面，其定義為：

由式（4）可知，單界面的偏振分離程度只與入射角相關，當光傾斜入射至界面時，必定存在偏振分離現(xiàn)象。為了實現(xiàn)消偏振分光，可以通過構造多層膜系，采用特定的材料匹配及膜系結構，使整體膜系對于s 偏振光與p 偏振光有相近的等效光學導納，從而消除偏振效應的影響。

多層膜的透射率公式如下：

其中：

其中：［B，C］T為多層薄膜的組合特征向量，由此可得多層薄膜的光學等效導納Y=C/B。單層光學厚度為λ/4 的薄膜的偏振分離為：

推導可得單層膜的消偏振條件為：

由此可知，已知膜厚和入射角，并且入射介質與出射介質的折射率固定時，可通過合理選擇膜層介質的參數(shù)實現(xiàn)消偏振分光。該式可推廣至多層膜情況，通過求解消偏振條件公式，可能求得滿足消偏振條件的膜系結構。

通過多層膜的透射以及材料及膜厚的合理匹配，p 偏振光與s 偏振光有可能實現(xiàn)相同的透射率，從而實現(xiàn)消偏振分光［18］。根據(jù)Costich 的消偏振理論，可用低折射率材料與高折射率材料構造對稱膜系來消除偏振分離效應［12］。更進一步地，具體膜系的構造可使用Needle 法進行優(yōu)化［14，19-20］。Needle 法的思路是在給定的膜系中插入一層薄層，使原膜層的折射率在插入位置處發(fā)生突變，即在低折射率膜層中插入高折射率薄層，或者在高折射率膜層中插入低折射率薄層，改變原有膜系的光學參數(shù)，并結合評價函數(shù)計算最優(yōu)的薄層插入位置，持續(xù)迭代該過程，增加膜系層數(shù)，最終得到滿意的結果。

2.2 膜系設計及仿真分析

膜系的優(yōu)化設計使用專用膜系設計軟件TFCalc 實現(xiàn)。針對780 nm 激光的應用場景，在穩(wěn)功率應用中，需要使用分光片對出射光進行分光，從而實現(xiàn)反饋控制。在該情況下，分光片在780 nm 的附近波段要具有良好且穩(wěn)定的消偏振性能，以最大限度地降低功率波動水平［11］。因此，本文設計的消偏振分光薄膜的目標波段為750～810 nm，入射角為45°，分光比T∶R=49∶1，且在工作波段中分光比穩(wěn)定。本文使用SiO2作為低折射率材料，Ta2O5作為高折射率材料進行消偏振膜系的構建［21-22］。所采用的膜系結構為Sub|（HL）k|Air 結構，L 和H 分別為低折射率材料SiO2和高折射率材料Ta2O5，入射介質為空氣，基底為K9 玻璃，分光片的前后表面膜系呈對稱分布。使用軟件進行仿真優(yōu)化，并應用Needle法進行優(yōu)化設計，得到最終的消偏振膜系。使用H，L 分別表示Ta2O5和SiO2在入射光以45°入射時對應參考波長（780 nm）的四分之一波長厚度，則膜系結構具體設計為：Sub/0.41H0.45L0.68 H2.22L2.32H0.21L1.26H1.03L/Air。

根據(jù)該膜系結構，仿真得到入射光以45°入射該薄膜時的透射光譜，如圖1 所示。從光譜圖中可以看出，在750～810 nm 波段，p 偏振光與s偏振光的透射率基本一致，穩(wěn)定在98%，波動在0.03%以內；此外，p偏振光與s偏振光的透射率偏差在0.02%以下，滿足目標要求。

圖1 雙面消偏振膜的仿真透射率光譜Fig.1 Simulated transmittance spectra of proposed double-side nonpolarizing film

2.3 消偏振分光片制備

確定膜系設計后，本文使用離子束輔助電子束熱蒸鍍的方法進行消偏振分光薄膜的鍍制。鍍制時，在真空室內使用電子束加熱蒸發(fā)膜料，使膜料氣化并向基板運輸，在此過程中使用離子束轟擊基板，最終在基板上凝結成薄膜。離子束能夠起到清潔基板表面雜質，提高膜料分子活動能力的作用，該方法所鍍制的薄膜具有致密性好、結合力強及穩(wěn)定性高的優(yōu)點。所用鍍膜設備為OTFC-1300 鍍膜機，膜厚監(jiān)測為晶控方式，膜料為Ta2O5及SiO2，基底材料為K9 玻璃，進行雙面鍍膜。Ta2O5及SiO2的蒸發(fā)速率分別為0.3 nm/s 和0.8 nm/s，在鍍制Ta2O5時，需要向真空室內填充O2，流量為30 mL/min（standard cubic centimeter per minute），鍍制溫度為160 ℃，最終鍍制得到消偏振分光片。

3 測量實驗與結果

3.1 薄膜表征

為了確定結構參數(shù)，需要對消偏振分光片進行表征，各膜層的厚度是膜系的基本表征參數(shù)。為了測量分光片各膜層的膜厚，確定其實際的薄膜結構，需要獲取分光薄膜的截面樣本。首先，使用聚焦離子束（Focused Ion Beam，F(xiàn)IB）進行樣本加工，F(xiàn)IB 設備型號為Helios G4 UC，其離子束加工分辨率可達2.5 nm。加工前在分光片表面鍍制Pt 保護層，以防鍍層被破壞。此外，由于分光片為絕緣材料，不利于FIB 加工，故加工時需用導電膠帶連接分光片的上下表面，使離子束能夠擊穿分光片。最終，使用FIB 加工得到長寬約8 μm，厚度約100 nm 的薄膜界面樣本。然后，使用透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope， TEM）對鍍制分光薄膜進行測量。所用TEM 為FEI Tecnai G2F30 場發(fā)射透射電子顯微鏡，其點分辨率達到0.205 nm，線分辨率為0.102 nm。TEM 的測量結果如圖2 所示。

圖2 TEM 測量圖像Fig.2 TEM measurement image

根據(jù)圖2 可以得到各膜層厚度，如表1 所示。對比實測膜系與設計膜系，二者的膜厚存在一定偏差，第1～7 層膜的偏差值在6 nm 以內，第8 層膜的偏差最大，為10.68 nm。從測量圖像中能夠觀測到各膜層邊緣基本順直，無扭曲變形及毛刺等情況，說明鍍制膜層貼合良好，界面平滑。而且，各膜層內部均一性良好，未觀測到雜質與明顯缺陷，說明各膜層分布均勻。以上結果表明，所制備的消偏振分光片鍍膜質量高，可開展進一步的性能實驗研究。

表1 設計膜系及實測膜系對比結果Tab.1 Comparison results of design and actual films

3.2 光譜測量

鍍制得到消偏振分光片后，使用分光光度計進行實際光譜測量。 所用分光光度計為Cary5000，配備UMA 附件，能夠測量分光片在不同角度下s 偏振光或p 偏振光的絕對反射率及透射率。設定入射角為45°，測量波段為750～810 nm，對分光片進行光譜測量，結果如圖3 所示。

圖3 消偏振分光片的光譜測試結果Fig.3 Spectral test results of nonpolarizing beam splitter

從圖3 可以看出，所鍍制的消偏振分光片在目標波段750～810 nm 內的消偏振性能較好，與設計光譜基本對應，s 偏振光與p 偏振光的透射率穩(wěn)定在97.5%～98%以內，在目標波段s 偏振光與p 偏振光的透射率偏差|Ts-Tp|<0.3%。780 nm 為消偏振波段的中心波長，圖3 陰影區(qū)域所示為780 nm 的透射率結果，可以看到該消偏振分光片對780 nm 激光具有最佳的消偏振性。s 偏振光與p 偏振光的透射率偏差|Ts-Tp|接近0%，隨著波長逐漸遠離780 nm，透射率偏差|Ts-Tp|逐漸增大。

3.3 性能實驗

為了測試該消偏振分光片在實際光路中的表現(xiàn)性能，將它放置在實際激光光路中，分別測量其反射光與透射光的激光功率，得到其實際透射光譜，以分析該消偏振分光片的實際消偏振性能。實驗搭建的測試系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 消偏振分光片性能測試系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic of characteristic measurement system for nonpolarizing beam splitter

在激光入射至消偏振分光片前，放置一個格蘭泰勒棱鏡以及一個半波片，格蘭泰勒棱鏡可保證入射至分光片的激光為線偏振光，半波片則可以改變偏振方向，以此來測試分光片對不同偏振光的光學性能。激光光路中所用激光器為Toptica DL 100，激光輸出功率在百mW 量級，功率穩(wěn)定度優(yōu)于0.1%。入射激光波長為780 nm，測試時，轉動半波片，每轉動10°，記錄當前的透射功率及反射功率，最終測得不同偏振方向的偏振光對該消偏振分光片的實際透射光譜，如圖5所示。

圖5 實驗測量結果Fig.5 Experimental measurement results

圖5（a）為分光片的分光比測試結果，分光比隨著偏振角的變化在55～62 內浮動。圖5（c）為透射率光譜，從圖中可看出，對不同偏振方向的偏振光，該消偏振分光片的透射率保持在98.23%～98.42%之間。由于s偏振光與p偏振光在偏振測量范圍之間，故其透射率偏差不會超過測量透射率結果的變化幅值，說明在780 nm 的分光條件下該分光片的透射率最大偏差|Ts-Tp|max在0.2%以下。此處測得的透射率相比分光光度計的測量結果稍高，這是由于實測透射率是用透射功率與反射功率之間的關系式T/(T+R)求得，計算過程中忽略了光的損耗、散射及吸收等情況，導致計算所用總功率偏低，實測透射率相比分光光度計的測量結果更高。

然后，對消偏振分光片進行變波長實驗。所用激光器可調諧，測試前先調整偏振光角度，使透射率達到最小，即調整至最小偏振角。隨后，改變輸出激光波長，由于激光器波長可調諧范圍有限，故設置實驗波長為772～792 nm。測試時，激光波長逐漸增大，步長為1 nm，記錄分光片透射功率與反射功率，得到分光片的分光比及透射率隨波長的變化結果，如圖5（b）與5（d）所示。從圖中可看出，分光片透射率隨著波長的增大有微小的下降趨勢，穩(wěn)定在98.15%～98.26%之間，波動小于0.12%，而分光比波動在53～57，故可認為該消偏振分光片在工作波段具有較為穩(wěn)定的分光性能，其分光比與透射率在工作波段基本不隨波長的變化而改變。

為了測試該分光片的長時間穩(wěn)定性，同樣調整偏振光方向，使透射率達到最小，之后將該分光片放置于光路中進行10 h 的長時間實驗，實驗環(huán)境溫度恒定，結果如圖6 所示. 從測試結果可以看到，分光比穩(wěn)定在57.55～57.70，波動幅度小于0.2，透射率穩(wěn)定在98.292%～98.296%，波動幅度為0.004%，但具有一個緩慢上升的趨勢，該趨勢可能與激光器本身的功率漂移有關。對長時間穩(wěn)定性測量結果進行Allan 方差分析，結果如圖6（c）所示，當平均時長為100 s 時，長時分光比與長時透射率的Allan 方差最小，分別為1.41×10-3和4.12×10-5。該結果說明長時透射率相較于長時分光比具有更好的功率穩(wěn)定度。

圖6 長時間測試結果Fig.6 Long-term stability test

4 結 論

本文設計了多層消偏振膜系，并鍍制了750～810 nm 波段的消偏振分光片，在工作波段具有穩(wěn)定的分光比，s 偏振光與p 偏振光的透射率為98%，透射率偏差小于0.2%。通過改變入射光偏振方向與波長測量消偏振分光片的分光比及透射率，實驗結果驗證了該分光片在工作波段具有良好的消偏振性能。此外，對該分光片進行了長時間的性能測試，驗證了該分光片具有良好的長時穩(wěn)定性。本文設計與制備的高分光比消偏振分光片在光學測試計量和量子傳感探測等精密測量領域中具有良好的應用前景。