新型红外反射式偏振器的设计与研制.doc

收稿日期:2003-05-12.　　　　　
基金项目:上海应用物理研究中心基金资助项目
(00JC14029);复旦大学青年基金资助项目(EX12357)·
光电器件
新型红外反射式偏振器的设计与研制
张荣君,周　鹏,李　莉,王松有,陈良尧
(复旦大学光科学与工程系,上海200433)
摘　要:　常用的反射偏振器是利用Brewster角原理,由被抛光的介质基底表面及透明或吸收
基底镀以薄膜而组成。文章给出了一种在红外区直接在Si晶体表面应用Brewster角原理使P分量
反射后受到抑制,从而得到S分量反射的新型红外偏振器的设计与研制实例,并对其性能做了简单
的物理测量。
关键词:　偏振光;红外偏振器;布儒斯特角;反射偏振器
中图分类号:TN929　文献标识码:　A　文章编号:　1001-5868(2003)06-0399-03
Design and Fabrication of a Novel Infrared Reflection Polarizer
ZHANG 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 coated
transparent or absorption substrate based on Brewster reflection theory. In this paper, a newtype of reflection
polarizer is introduced, which is directly made with the Si surface in the infrared region. As a result, a
polarizerwithS componentreflection restrained P componentreflection is obtained. The physical characteristics
of this new polarizer are given.
Key words:　polarized light; infrared polarizer; Brewster angle; reflective polarizer
1　引言
在许多红外光谱学测量中,常常需要用到红外
偏振器来满足实验条件。比如,在使用旋转偏振器
类型的椭圆光谱测量中[1],需要对各种材料的椭偏
参量ψ和Δ进行精确测量,来获得材料的复介电函
数和其他光学常数,进一步由此研究材料的光学性
质和应用。一个良好性能的偏振器还有助于利用椭
偏术更好地研究处于各种不同环境中的半导体表面
及金属表面的氧化问题。同样,在材料的表面以及
微电子学研究中也广泛地用到椭偏光谱学的方法。
2　工作原理
应用半导体材料作为基底利用Brewster角原理
构成反射偏振器已有报道[2]。另一种最简单的反射
偏振器是在基底镀以透明的薄膜而构成。这种反射
偏振器工作的机理是在薄膜中对于某一种偏振分量
相消干涉的结果,或至少是部分相消干涉的结果。
当P分量被抑制时,未被抑制的S分量达到较高的
反射率。应用介质基底的这种类型的偏振器,如利
用镀于玻璃上的TiO2薄膜等。我们采用了一个在红
外区直接在Si晶体表面应用Brewster角原理使P分
量反射后受到抑制,从而得到S分量反射的新型红
外偏振器。
根据Brewster角反射原理,当光以Brewster角
φB入射到界面时,φB=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给出[3]:
Rs=n2-1n2+12(1)
在红外区,Si和Ge这样的半导体材料变为透明并且
具有必要的高折射率值[2]。Ge在红外光谱范围(2
·399·
《半导体光电》2003年第24卷第6期张荣君等:　新型红外反射式偏振器的设计与研制000~13 000 nm)折射率n=4,由公式φB=tan-1n
知φB=75.96°,Rs=77·85%。利用Ge晶体作为反
射偏振核心部件的文章已有报道[4]。但由于Ge单
晶的表面性质不够稳定,所以我们不采用Ge晶体。
经实验测量Si在红外区域的折射率如图1所示[1],
Si在1~20μm波段红外区折射率约为3.43,由上述
公式可以计算得φB=73.70°,Rs=70·98%(λ=6 000
nm),能够满足大部分的实验需要。
由图1可知,根据Brewster原理,所设计的偏振
器可适用在很宽红外波长范围内,对于S光反射率
保持在69.2%~72.1%。对于空气和Si界面,p偏
振与s偏振的强度反射率Rp和Rs随入射角φ的
变化可以用图2来表示[5]。由图2可知,入射角在
76.13°时,φp达到了最小值。
图1　Si在3 000~9 000 cm-1光谱区的折射率
图2　p、s偏振的反射强度随入射角φ的变化
3　偏振器的设计与制作
在实际的器件研制过程中,Si晶体的工艺制备
难度较高,也是相当关键的因素,往往正是由于工艺
制作的困难,导致晶体不可能非常完美,从而需要很
精细的调试。图3所示为该新型红外反射偏振器的
几何光学设计示意图。
图3中,红外波长的光矢量以Brewster角入射,
S光在三角形硅晶体一侧表面直接得到反射,反射
到镀金薄膜的反射镜上。我们利用红外椭偏仪
(IRSE)[1]对金膜进行了测量,实验证明用金膜作为
反射镜,在红外区有良好的反射性能(R>95%)。
并且我们同时在红外区对Ag膜进行了测量,反射率
R>97%,但由于Ag表面易氧化,明显没有Au表面
性质稳定,为了系统的稳定性,采用了反射率不是最
高但性质稳定的Au膜作为反射镜。对比测试结果
如图4、5所示。
图3　新型红外反射偏振器的几何光学设计示意图
图4　Au在3 000~9 000 cm-1光谱区的反射率
图5　Ag在3 000~9 000 cm-1光谱区的反射率
精确设计调节Si晶体与Au膜的相对位置,使
得S光在经Au膜反射后,由Si晶体的另一侧表面
反射至原入射光的延长线上,即沿原光路传播。而
P光则由于折射与原光路分开。由此结构设计得到
完全的红外S偏振光。整个装置被安装在经精密计
算后设计的金属圆筒中。在偏振器的研究中,我们
实际采用的晶体几何参量具体分别为CD=14.36
mm,∠DEC= 16°。因此,在ΔABC中,AB=
BCtan 74°;在ΔABO中,AB=OBtan 58°。所以,OB
=BCtan 74°tan 58°=12CD·tan 74°tan 58°=1.09CD=15.65 mm,
OC=OB-BC=0·59CD=8·47 mm,OD=OC+CD
·400·
SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS　Vol.24 No.6 Dec.2003=22·83 mm。
4　偏振器的制作与主要技术指标
图6为应用Brewster角原理而制作的Si晶体,
晶体研制完成后,将其安装在经过具体计算的金属
圆筒里,偏振器的总体外形如图7所示。
图6　应用Brewster角原理而制作的Si晶体
图7　封装后的新型红外反射式偏振器
为了调节光路,使经过反射的偏振光为完全偏
振光,必须将偏振器在一个稳定的支架上进行调试。
要将出射光为完全偏振光,实际上就是调节反射用
金膜的高度和倾斜角,如果金膜和晶体底面完全平
行,高度达到所计算高度,那么,理论上讲我们就一
定会得到完全的S偏振光。当然实际上工艺水准总
有偏差,这时怎样来调节使其符合理论计算和预期
值就非常重要了。我们采用OZ Optics Ltd.(Canada)
所生产的Fiber optics Stable Source作为稳定连续的
激光输出源,利用光纤将其引至三维精密光学调节
架上,以便调节使光路准直。在调节反射金膜时,我
们采用内嵌式弹簧来调节金膜高度和仰角,利用拓
宽螺孔的办法来调节金膜于圆筒的相切程度。这
样,我们能够完全调节反射金膜的所有自由度,从而
使光路达到预期值。
另外,我们设计的红外偏振器不同于国内外光
学公司生产的偏振片,在红外区用光学玻璃所做的
偏振片很稀少。而且偏振片很大程度上依赖光轴的
取向,当偏振片旋转时,出射光会随之发生改变。调
节后的偏振器与其旋转无关,也就是说,当金属圆筒
做周期性旋转时,出射光的强度和偏振不会发生任
何改变。这一点在实验系统中非常重要。
调节过程完毕后,我们还测量了所设计的偏振
器的一些性能参数,如表1所示。
表1　新型红外反射式偏振器的性能指标
直径/mm长度/mm中心主偏振光偏心度/°偏振度反射率/%
55.0 105.0≤0.01 10-474
5　结论
利用在红外区(1~20μm波段)半导体材料光
学常数缓慢变化的规律,成功设计并研制了一种基
于双Brewster角反射方式的硅晶体的新型红外偏振
器,其性能参数达到了设计要求,且具有以下特点:
(1)良好的温度特性,工作时不需要冷却;(2)很宽的
光谱工作区,能满足多数材料光谱测量需要;(3)经
两次Brewster角反射产生极好的偏振性;(4)入射光
和出射光在同一光路,光路调节简单,使用方便;(5)
易于取材,便于大量制作和推广应用。
参考文献:
[1]　Xia G Q, Zhang R J, Chen Y L, et al. New design of the
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Fourier transforms[J]. Rev. of Scientific Instruments, 2000,
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[2]　Driscoll W G, Vaughan W. Handbook of optics [M].
Edition. NewYork: McGrawHill Book Company,1978.
[3]　钟迪生.高效红外反射偏振器的研究[J].红外技术,
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[4]　Luttmann M, Stchle J L, Defranoux C, et al. High accuracy
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polarizer and grid analyzer[J]. Thin Solid Films, 1998, 313
-314(1): 631-641.
[5]　Azzam R MA, Bashara N M. Ellipsometry and polarized
light[M]. New York: North-Holland Publishing Company,
1977. 278.
作者简介:
张荣君(1972-),男,1999年毕业于复旦大学并
获博士学位。现为副教授、硕士生导师。长期从事
光电子材料与器件、光谱学以及光通信无源器件等
领域的研究和教学工作。曾获教育部提名国家技术
发明奖一等奖1项,发表论文近50篇。
E-mail:rjzhang99@
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《半导体光电》2003年第24卷第6期张荣君等:　新型红外反射式偏振器的设计与研制