王國(guó)超， 黃光耀， 朱凌曉， 李星輝*， 顏樹(shù)華*

（1. 國(guó)防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073；2. 清華大學(xué) 深圳國(guó)際研究生院，廣東 深圳 518055）

1 引 言

消偏振分光片以其對(duì)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(xué)系統(tǒng)里面得到了廣泛的應(yīng)用。消偏振分光片與消偏振分光棱鏡統(tǒng)稱(chēng)為消偏振分束器，但由于分光片沒(méi)有光學(xué)膠層，相比分光棱鏡具有更高的損傷閾值與更小的光學(xué)損耗，能承受更高功率的激光，因此，常應(yīng)用在光功率要求相對(duì)較高的條件下［1-5］。消偏振分光片的原理本質(zhì)上是在普通分光片上進(jìn)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(shí)，由于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的切向分量要滿足在界面兩側(cè)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(yīng)，即透射率隨著偏振的變化而產(chǎn)生波動(dòng)，降低光學(xué)系統(tǒng)的偏振性能［6］。為了消除偏振效應(yīng)的影響，通過(guò)在分光片表面鍍制特殊的薄膜可以實(shí)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(lái)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(xué)領(lǐng)域，由于光的偏振態(tài)會(huì)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(shí)激光的偏振變化會(huì)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(lǐng)域，光偏振態(tài)的不穩(wěn)定會(huì)提高系統(tǒng)的誤碼率，進(jìn)而影響通信碼率［9］。此外，一些其他應(yīng)用場(chǎng)景還要求光學(xué)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(jìn)行激光功率穩(wěn)定的系統(tǒng)，其反饋回路中的分束器應(yīng)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(dòng)會(huì)使分光比產(chǎn)生很大的波動(dòng)［11］。在高分光比下，消偏振分光片的穩(wěn)定分光更難實(shí)現(xiàn)。因此，需要對(duì)消偏振薄膜進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，使它在實(shí)現(xiàn)高分光比的同時(shí)具備良好的消偏振性能。

針對(duì)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(jī)制上使用折射率匹配的多層膜結(jié)構(gòu)，在特定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)有效地降低偏振效應(yīng)［12］。Gilo 等使用3 種不同折射率材料實(shí)現(xiàn)了消偏振膜設(shè)計(jì)，但其膜層多達(dá)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(chǔ)上設(shè)計(jì)了近紅外雙波段消偏振分光膜，其膜層數(shù)高達(dá)38 層，然而，膜層數(shù)過(guò)多不利于實(shí)際工藝中的薄膜鍍制［14-15］。膜層的厚度對(duì)薄膜的光學(xué)性能有很大的影響，要實(shí)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(jí)別［12］。

本文通過(guò)分析偏振效應(yīng)，采用低折射率SiO2和高折射率材料Ta2O5兩種不同材料進(jìn)行消偏振薄膜的構(gòu)造，并使用Needle 優(yōu)化法實(shí)現(xiàn)膜系優(yōu)化，設(shè)計(jì)并鍍制了750～810 nm 波段的消偏振分光膜，在目標(biāo)波段中實(shí)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(shè)計(jì)與制備

2.1 消偏振理論

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

因此，當(dāng)光的偏振方向改變時(shí)，介質(zhì)將具有不同的透射率。根據(jù)電場(chǎng)切向分量和磁場(chǎng)切向分量界面兩側(cè)連續(xù)的邊界條件，在折射率為n1和n2的兩個(gè)理想介質(zhì)分界面上，當(dāng)光波以角度θ1入射時(shí)，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(xué)有效導(dǎo)納，其公式如下：

透射角θ2可通過(guò)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(huì)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(yīng)即為偏振分離效應(yīng)［17］。偏振分離程度可以用p 偏振光和s 偏振光的光學(xué)有效導(dǎo)納的比值來(lái)衡量。對(duì)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(guān)，當(dāng)光傾斜入射至界面時(shí)，必定存在偏振分離現(xiàn)象。為了實(shí)現(xiàn)消偏振分光，可以通過(guò)構(gòu)造多層膜系，采用特定的材料匹配及膜系結(jié)構(gòu)，使整體膜系對(duì)于s 偏振光與p 偏振光有相近的等效光學(xué)導(dǎo)納，從而消除偏振效應(yīng)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(xué)等效導(dǎo)納Y=C/B。單層光學(xué)厚度為λ/4 的薄膜的偏振分離為：

推導(dǎo)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(zhì)與出射介質(zhì)的折射率固定時(shí)，可通過(guò)合理選擇膜層介質(zhì)的參數(shù)實(shí)現(xiàn)消偏振分光。該式可推廣至多層膜情況，通過(guò)求解消偏振條件公式，可能求得滿足消偏振條件的膜系結(jié)構(gòu)。

通過(guò)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(shí)現(xiàn)相同的透射率，從而實(shí)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(gòu)造對(duì)稱(chēng)膜系來(lái)消除偏振分離效應(yīng)［12］。更進(jìn)一步地，具體膜系的構(gòu)造可使用Needle 法進(jìn)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?cè)心は档墓鈱W(xué)參數(shù)，并結(jié)合評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算最優(yōu)的薄層插入位置，持續(xù)迭代該過(guò)程，增加膜系層數(shù)，最終得到滿意的結(jié)果。

2.2 膜系設(shè)計(jì)及仿真分析

膜系的優(yōu)化設(shè)計(jì)使用專(zhuān)用膜系設(shè)計(jì)軟件TFCalc 實(shí)現(xiàn)。針對(duì)780 nm 激光的應(yīng)用場(chǎng)景，在穩(wěn)功率應(yīng)用中，需要使用分光片對(duì)出射光進(jìn)行分光，從而實(shí)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(dòng)水平［11］。因此，本文設(shè)計(jì)的消偏振分光薄膜的目標(biāo)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(jìn)行消偏振膜系的構(gòu)建［21-22］。所采用的膜系結(jié)構(gòu)為Sub|（HL）k|Air 結(jié)構(gòu)，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(zhì)為空氣，基底為K9 玻璃，分光片的前后表面膜系呈對(duì)稱(chēng)分布。使用軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化，并應(yīng)用Needle法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(shí)對(duì)應(yīng)參考波長(zhǎng)（780 nm）的四分之一波長(zhǎng)厚度，則膜系結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)為：Sub/0.41H0.45L0.68 H2.22L2.32H0.21L1.26H1.03L/Air。

根據(jù)該膜系結(jié)構(gòu)，仿真得到入射光以45°入射該薄膜時(shí)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(dòng)在0.03%以內(nèi)；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(biāo)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(shè)計(jì)后，本文使用離子束輔助電子束熱蒸鍍的方法進(jìn)行消偏振分光薄膜的鍍制。鍍制時(shí)，在真空室內(nèi)使用電子束加熱蒸發(fā)膜料，使膜料氣化并向基板運(yùn)輸，在此過(guò)程中使用離子束轟擊基板，最終在基板上凝結(jié)成薄膜。離子束能夠起到清潔基板表面雜質(zhì)，提高膜料分子活動(dòng)能力的作用，該方法所鍍制的薄膜具有致密性好、結(jié)合力強(qiáng)及穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。所用鍍膜設(shè)備為OTFC-1300 鍍膜機(jī)，膜厚監(jiān)測(cè)為晶控方式，膜料為T(mén)a2O5及SiO2，基底材料為K9 玻璃，進(jìn)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(shí)，需要向真空室內(nèi)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(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 薄膜表征

為了確定結(jié)構(gòu)參數(shù)，需要對(duì)消偏振分光片進(jìn)行表征，各膜層的厚度是膜系的基本表征參數(shù)。為了測(cè)量分光片各膜層的膜厚，確定其實(shí)際的薄膜結(jié)構(gòu)，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(jìn)行樣本加工，F(xiàn)IB 設(shè)備型號(hào)為Helios G4 UC，其離子束加工分辨率可達(dá)2.5 nm。加工前在分光片表面鍍制Pt 保護(hù)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(shí)需用導(dǎo)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(zhǎng)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(duì)鍍制分光薄膜進(jìn)行測(cè)量。所用TEM 為FEI Tecnai G2F30 場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡，其點(diǎn)分辨率達(dá)到0.205 nm，線分辨率為0.102 nm。TEM 的測(cè)量結(jié)果如圖2 所示。

圖2 TEM 測(cè)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(duì)比實(shí)測(cè)膜系與設(shè)計(jì)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(nèi)，第8 層膜的偏差最大，為10.68 nm。從測(cè)量圖像中能夠觀測(cè)到各膜層邊緣基本順直，無(wú)扭曲變形及毛刺等情況，說(shuō)明鍍制膜層貼合良好，界面平滑。而且，各膜層內(nèi)部均一性良好，未觀測(cè)到雜質(zhì)與明顯缺陷，說(shuō)明各膜層分布均勻。以上結(jié)果表明，所制備的消偏振分光片鍍膜質(zhì)量高，可開(kāi)展進(jìn)一步的性能實(shí)驗(yàn)研究。

表1 設(shè)計(jì)膜系及實(shí)測(cè)膜系對(duì)比結(jié)果Tab.1 Comparison results of design and actual films

3.2 光譜測(cè)量

鍍制得到消偏振分光片后，使用分光光度計(jì)進(jìn)行實(shí)際光譜測(cè)量。 所用分光光度計(jì)為Cary5000，配備UMA 附件，能夠測(cè)量分光片在不同角度下s 偏振光或p 偏振光的絕對(duì)反射率及透射率。設(shè)定入射角為45°，測(cè)量波段為750～810 nm，對(duì)分光片進(jìn)行光譜測(cè)量，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 消偏振分光片的光譜測(cè)試結(jié)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(biāo)波段750～810 nm 內(nèi)的消偏振性能較好，與設(shè)計(jì)光譜基本對(duì)應(yīng)，s 偏振光與p 偏振光的透射率穩(wěn)定在97.5%～98%以內(nèi)，在目標(biāo)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(zhǎng)，圖3 陰影區(qū)域所示為780 nm 的透射率結(jié)果，可以看到該消偏振分光片對(duì)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(zhǎng)逐漸遠(yuǎn)離780 nm，透射率偏差|Ts-Tp|逐漸增大。

3.3 性能實(shí)驗(yàn)

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

圖4 消偏振分光片性能測(cè)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(gè)格蘭泰勒棱鏡以及一個(gè)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(lái)測(cè)試分光片對(duì)不同偏振光的光學(xué)性能。激光光路中所用激光器為T(mén)optica DL 100，激光輸出功率在百mW 量級(jí)，功率穩(wěn)定度優(yōu)于0.1%。入射激光波長(zhǎng)為780 nm，測(cè)試時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)半波片，每轉(zhuǎn)動(dòng)10°，記錄當(dāng)前的透射功率及反射功率，最終測(cè)得不同偏振方向的偏振光對(duì)該消偏振分光片的實(shí)際透射光譜，如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果Fig.5 Experimental measurement results

圖5（a）為分光片的分光比測(cè)試結(jié)果，分光比隨著偏振角的變化在55～62 內(nèi)浮動(dòng)。圖5（c）為透射率光譜，從圖中可看出，對(duì)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(cè)量范圍之間，故其透射率偏差不會(huì)超過(guò)測(cè)量透射率結(jié)果的變化幅值，說(shuō)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(cè)得的透射率相比分光光度計(jì)的測(cè)量結(jié)果稍高，這是由于實(shí)測(cè)透射率是用透射功率與反射功率之間的關(guān)系式T/(T+R)求得，計(jì)算過(guò)程中忽略了光的損耗、散射及吸收等情況，導(dǎo)致計(jì)算所用總功率偏低，實(shí)測(cè)透射率相比分光光度計(jì)的測(cè)量結(jié)果更高。

然后，對(duì)消偏振分光片進(jìn)行變波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)。所用激光器可調(diào)諧，測(cè)試前先調(diào)整偏振光角度，使透射率達(dá)到最小，即調(diào)整至最小偏振角。隨后，改變輸出激光波長(zhǎng)，由于激光器波長(zhǎng)可調(diào)諧范圍有限，故設(shè)置實(shí)驗(yàn)波長(zhǎng)為772～792 nm。測(cè)試時(shí)，激光波長(zhǎng)逐漸增大，步長(zhǎng)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(zhǎng)的變化結(jié)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(zhǎng)的增大有微小的下降趨勢(shì)，穩(wěn)定在98.15%～98.26%之間，波動(dòng)小于0.12%，而分光比波動(dòng)在53～57，故可認(rèn)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(zhǎng)的變化而改變。

為了測(cè)試該分光片的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性，同樣調(diào)整偏振光方向，使透射率達(dá)到最小，之后將該分光片放置于光路中進(jìn)行10 h 的長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度恒定，結(jié)果如圖6 所示. 從測(cè)試結(jié)果可以看到，分光比穩(wěn)定在57.55～57.70，波動(dòng)幅度小于0.2，透射率穩(wěn)定在98.292%～98.296%，波動(dòng)幅度為0.004%，但具有一個(gè)緩慢上升的趨勢(shì)，該趨勢(shì)可能與激光器本身的功率漂移有關(guān)。對(duì)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)果進(jìn)行Allan 方差分析，結(jié)果如圖6（c）所示，當(dāng)平均時(shí)長(zhǎng)為100 s 時(shí)，長(zhǎng)時(shí)分光比與長(zhǎng)時(shí)透射率的Allan 方差最小，分別為1.41×10-3和4.12×10-5。該結(jié)果說(shuō)明長(zhǎng)時(shí)透射率相較于長(zhǎng)時(shí)分光比具有更好的功率穩(wěn)定度。

圖6 長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果Fig.6 Long-term stability test

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)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(guò)改變?nèi)肷涔馄穹较蚺c波長(zhǎng)測(cè)量消偏振分光片的分光比及透射率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該分光片在工作波段具有良好的消偏振性能。此外，對(duì)該分光片進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的性能測(cè)試，驗(yàn)證了該分光片具有良好的長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性。本文設(shè)計(jì)與制備的高分光比消偏振分光片在光學(xué)測(cè)試計(jì)量和量子傳感探測(cè)等精密測(cè)量領(lǐng)域中具有良好的應(yīng)用前景。