[发明专利]改进的线格偏振分束器

说明书

发明背景

1.发明领域

本发明涉及可以工作在可见光谱的分束器，该分束器反射一个线偏振方向的光和透射其他线偏振方向的光。本发明具体涉及这样的分束器，该分束器利用线格偏振器作为工作光学元件。此外，本发明涉及在整个可见光谱内获得理想功能的分束器重要参数。

2.现有技术

线格偏振器(WGP)一直用于偏振光学系统，但是没有在分束器中得到有效使用。例如，线格偏振器是在红外和长波长区域中得到开发¹。已经报导使用0.115μm精细线格间隔或周期的结构²。我们已知道可以提高线格偏振器性能的许多概念。例如，Garvin³和Keilmann⁴提出改进工作在红外波段垂直入射的线格偏振器性能的方法。作为另一个例子，Tamada⁵提出利用光栅结构中共振效应的概念以制作窄频带偏振元件，该偏振元件并不要求光栅间隔远远小于入射光的波长。但工作在宽频带的线格偏振器，例如，工作在可见光谱内，要求光栅间隔远远小于入射光的波长。Tamada方案的一个缺点是，他提出的偏振分束器工作在给定的角度和两个分光束之间具有给定的强度比。与其他人一样，Tamada仅讨论工作在近乎垂直入射的结构。

文献中偶尔讨论利用大角度入射的红外线格偏振器的概念。例如，Stenkamp测量80°入射角下周期为100nm的线格偏振器的透射率。Stenkamp观察到消光比在波长为670nm时增大。然而，Stenkamp⁶没有测量反射的辐射强度，且这些数据仅适用于一个波长。作为另一个例子，Bird⁷说明斜入射效应的定性试验，他指出线格的透射率在偏离正入射的30°内与斜入射角几乎无关，他的结果与Pursley⁸的仔细分析一致。

光学手册⁹中指出线格偏振器可用于具有高数值孔径的光学系统。具体地说，引用Young¹⁰的文献，在中红外(12μm)偏振器用于从0°至45°入射角的情况下，没有发现偏振光百分比的减小，而透射率减小量大于30％(0.55至小于0.40)。

可用于设计偏振分束器的重要线格参数包括：周期(p)，线宽(w)，线深或厚度(t)，光栅材料特性(例如，折射率)，基底材料特性(例如，折射率)，入射角，入射辐射的波长和诸如瑞利共振的光栅共振效应。例如，Haggans¹¹研究这些参数对从线格反射的光束影响。似乎Haggans的大部分计算只考虑45°入射角，而不考虑透射率。作为另一个例子，Schnable¹²说明改变金属材料不是非常有用的，因为仅有少量的例外，其中与某个波长范围内的铬比较可以增大偏振效应。

此外，Haidner¹³描述这样一种偏振反射式光栅偏振器，该偏振器仅工作在垂直入射和使用一个波长(10.6μm)的情况。

我们需要的一种线格偏振分束器是，在整个可见光谱内有很高和均匀的透射效率；在整个可见光谱内有很高和均匀的反射效率；在整个可见光谱内有高透射和/或反射消光比(extinction)；该分束器有大的数值孔径，例如，在透射和反射效率和消光比必须保持在一定的光锥内；且光锥的锥角在20°至30°的范围内仍工作得很好。为了满足这些准则，在整个可见光谱内有均匀性能的实际设计必须考虑和控制光栅共振效应，例如，瑞利共振。如以上所指出的，一些参考文献讨论斜入射时影响线格偏振器性能的某些线格参数，而其他的参考文献揭露这些相同参数所起作用的矛盾。然而，没有任何参考文献把设计可见光谱的成像应用中线格偏振分束器所需概念放在一起考虑。

为了保证线格偏振分束器的功能达到理想的程度，重要的概念或物理参数必然是互相关联和需要集中考虑的，这些参数包括：线格轮廓的结构和形状；导线或线格元件的高度或厚度；线格相对于光偏振方向的取向；线格材料；入射角；会聚度，发散度或锥角；以及一些现象的效果，例如，瑞利共振。为了获得有效线格偏振分束器的理想功能必须知道这些概念。