光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)面光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計

光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)面光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計

1基于角域疊加設(shè)計全角度反射鏡的方法金屬膜作為反射鏡被廣泛使用，但由于金屬膜的巨大吸收，金屬膜在大規(guī)模光學(xué)系統(tǒng)中容易受到損害。光子晶體是折射率按一定周期發(fā)生變化的人工微結(jié)構(gòu)材料。光子晶體最重要特性是存在光子禁帶。光子晶體的這個特性具有廣泛的應(yīng)用前景,尤其在通信領(lǐng)域中可以用來制作反射鏡、濾光片和激光器諧振腔等。全介質(zhì)多層反射膜具有最大的反射率和最小的吸收率,因而在包括多光束干涉儀,激光器等光學(xué)器件中得到了廣泛的應(yīng)用。相對于高維光子晶體而言,用薄膜方法制備的一維光子晶體,制作方法簡單,工藝成熟,同時又能做到全角度反射。采用λ/4膜堆方法的傳統(tǒng)高反射膜所能得到的高反射區(qū)僅決定于薄膜材料折射率之比值。禁帶展寬是光子晶體研究的重要目標(biāo)之一,因而發(fā)展了一些方法以展寬高反射帶的寬度。這些方法有些要求薄膜材料有較高的折射率比,以用于合成的膜系有全角度反射帶;有些要插入有吸收的金屬膜,以增加禁帶寬度;更多的是采用頻率疊加,即幾個不同頻率的禁帶疊加起來。目前在紫外區(qū)域能用到的有實(shí)用價值的材料中,高折射率不超過2.1,而材料低折射率不小于1.4,因此在紫外區(qū)域,單個λ/4膜堆的全角度高反射帶是不能實(shí)現(xiàn)的。因而僅用頻域疊加在紫外區(qū)域就難以實(shí)現(xiàn)禁帶展寬。本文提出了基于角域疊加設(shè)計全角度反射鏡的方法。這種方法能夠得到更大的相對帶寬,同時,這個方法與傳統(tǒng)基于頻域的方法最大區(qū)別在于并不需要用于合成的λ/4膜堆本身具有全角度的反射帶,于是可以成功地設(shè)計紫外區(qū)域的全角度反射鏡。2材料的光學(xué)性能一維光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)可以通過傳輸矩陣分析所得:cosKΛ=cosk1xacosk2xb?Msink1xasink2xb,(1)M=?????12(k2xk1x+k1xk2x),12(n21k2xn22k1x+n22k1xn21k2x),TETM(2)?????k1x=(n1ωc)2?k2y??????????√,k2x=(n2ωc)2?k2y??????????√,(3)cosΚΛ=cosk1xacosk2xb-Μsink1xasink2xb,(1)Μ={12(k2xk1x+k1xk2x),ΤE12(n12k2xn22k1x+n22k1xn12k2x),ΤΜ(2){k1x=(n1ωc)2-ky2,k2x=(n2ωc)2-ky2,(3)式中K表示布洛赫波數(shù),k1x、k2x表示折射率為n1、n2的介質(zhì)中波矢量的法向分量,ky為介質(zhì)中波矢量的切向分量,c為真空中的光速,ω為光波頻率,a、b分別為兩種介質(zhì)材料薄膜的物理厚度,Λ表示光子晶體周期,Λ=a+b。在紫外區(qū)域,常用的薄膜材料HfO2和SiO2的折射率分別為2.09和1.472,取兩種材料的光學(xué)厚度相等,即a×n1=b×n2。入射波切向分量與歸一化角頻率關(guān)系如圖1所示。圖1中ky大于零的部分對應(yīng)TE模式,小于零的對應(yīng)TM模式。由圖1可知由于HfO2和SiO2折射率比較低,不存在全角度反射帶。但是如果入射角從0°到56°,相應(yīng)存在部分角度反射帶從ω1=0.306×2πc/Λ到ω2=0.322×2πc/Λ;入射角從56°到90°,相應(yīng)存在部分角度反射帶從ω3=0.339×2πc/Λ到ω4=0.358×2πc/Λ,相對帶寬分別為5.10%和5.45%。采用兩個光子晶體(PC1,PC2),PC1入射角從0°到56°存在部分角度反射帶光子晶體,PC2在入射角從56°到90°存在部分角度反射帶光子晶體。通過調(diào)整兩個光子晶體各自的周期,使得兩個光子晶體的部分角度反射禁帶最大。若取PC1,PC2的周期分別為106.11nm和118.84nm,折射率高、低兩種材料的薄膜光學(xué)厚度相等,合成光子晶體的入射波切向分量與角頻率的關(guān)系如圖2所示。可以看出合成光子晶體頻率從ω1到ω2存在全角度反射禁帶,相應(yīng)波長λ1=328.9nm到λ2=352.1nm,相對帶寬6.80%。傳統(tǒng)的設(shè)計方法由于光子晶體不存在全角度反射帶,因此不能得到紫外區(qū)域的全角度反射鏡。按照此方法,再增加合成光子晶體的數(shù)目,可以得到更大的全角度反射帶寬。3偏振模式的構(gòu)建為了從理論上驗(yàn)證這種設(shè)計方法,設(shè)反射膜系中心波長為365nm,膜系結(jié)構(gòu)為Sub/(HL)20(1.12H1.12L)20/Air,基板用石英玻璃。透射光譜曲線采用薄膜傳輸矩陣法計算,H和L分別表示HfO2和SiO2。由圖2知TE模式全角度禁帶中包含TM模式全角度禁帶,故TM模式全角度反射帶可被定義為反射鏡的全反射帶。傾斜入射時,計算TM和TE模式的平均透射率。垂直入射時,TE和TM偏振模式的能帶結(jié)構(gòu)簡并。設(shè)透射率在1%以下定義為反射帶。PC1反射帶波長從332.0nm到400.0nm;PC2反射帶波長從369.6nm到438.4nm;合成光子晶體(PC1/PC2)反射帶波長從332.0nm到437.6nm。不同入射角下,計算的透射率和測量的透射率曲線如圖3所示。56°入射時,PC1反射帶波長從300.8nm到345.6nm;PC2反射帶波長從335.2nm到379.2nm;合成光子晶體(PC1/PC2)反射帶波長從302.4nm到379.2nm。80°入射時,PC1反射帶波長從287.2nm到317.6nm;PC2反射帶波長從320.0nm到351.2nm;合成光子晶體(PC1/PC2)反射帶波長從288.8nm到350.4nm。從上述計算中可知,PC1和PC2各自不存在全角度反射帶,但是入射角從0°到56°,PC1存在波長從332.0nm到345.6nm的部分角度反射帶;而當(dāng)入射角從56°到80°,PC2存在波長從335.2nm到351.2nm的部分角度反射帶,因此合成的光子晶體波長從332.0nm到350.4nm存在全角度反射帶,相對帶寬為5.39%,從而實(shí)現(xiàn)了紫外區(qū)域全角度反射鏡的設(shè)計。很顯然按照我們的方法,采用更多的一維光子晶體合成,可以獲得紫外區(qū)域更寬的禁帶。4入射角和效率曲線采用上述設(shè)計膜系,樣品在國投南光有限公司生產(chǎn)的ZZS700-8/G型鍍膜機(jī)上用電子束蒸發(fā)方式制備。蒸發(fā)時,基板溫度350℃,壓強(qiáng)3.0×10-3Pa,HfO2和SiO2蒸發(fā)束流分別為300mA和60mA。兩個疊加光子晶體的膜系用極值法監(jiān)控,控制波長分別為375nm和420nm。圖3(d)為在入射角0°,55°,80°時的透射率曲線,樣品用日本島津公司生產(chǎn)的UV3101(PC)S分光光度計進(jìn)行光譜測試。從圖3(d)中知,入射角0°,波長從331.2nm到436.8nm存在反射帶;入射角56°,波長從304.0nm到374.4nm存在反射帶;入射角80°,波長從288.8nm到350.4nm存在反射帶;因此全角度反射帶從331.2nm到350.4nm,相對帶寬5.63%。這與本文第三部分的模擬計算結(jié)果十分吻合。實(shí)驗(yàn)測量的相對帶寬比本文第一部分設(shè)計的帶寬略小,主要原因是實(shí)際制作的膜系周期數(shù)有限,不能完全等效無限周期的光子晶體。與圖3(c)中合成光子晶體的透射率曲線相比,垂直入射時,通帶的透射率較低,主要是由