CN108761891A - 一种基于折射率补偿的宽谱偏振光栅优化方法 - Google Patents

Abstract

一种基于折射率补偿的宽谱偏振光栅优化方法，是针对消除宽谱偏振光栅(Broadband Polarization Grating)透射谱扰动所提出的优化方法。本发明在宽谱偏振光栅结构的基础上，增加了一层玻璃结构，通过减小介质间折射率差值以减弱薄膜干涉带来的干扰，有效遏制了透射率的扰动，提升了宽谱偏振光栅透过率的均一性。

Description

一种基于折射率补偿的宽谱偏振光栅优化方法

技术领域

本发明涉及的宽谱液晶偏振光栅，可以在较宽的谱段内实现高衍射效率的偏振转换。本发明通过增加一层补偿介质，有效抑制了光栅的薄膜干涉效应，实现了宽谱段内稳定的高透过率。

背景技术

液晶偏振光栅是一种微纳光学器件，它可以以极高的转换效率(近100％)将一束非偏振光转换为两束椭圆偏振光。改进后的宽谱偏振光栅还能够实现较宽波段内的高效转换，可用于制作100％偏振片等高效偏振器件。

然而，在液晶偏振光栅的仿真和制造过程中，由于薄膜干涉的存在，如图1所示，使得宽谱段偏振光栅的透射谱存在着较大的扰动，会降低偏振光栅的透过率，影响器件的偏振转换效果。如图2所示，在偏振光栅镀在SiO2基底上，直接与空气接触时，不同波长对应的透过率扰动比较剧烈，不仅造成了一定的能量损失，不同波长光的透过率差异也会造成一定的颜色失真。需要一种方法来解决透过率扰动的问题。

薄膜干涉是导致透过率扰动的主要原因，所以优化目标就是消除薄膜干涉。薄膜干涉是由膜层与其他介质交界处的反射引起的。消除薄膜干涉的一般思路是控制膜层厚度，达到减弱或者消除某一波长薄膜干涉的效果。但是由于改变偏振光栅厚度时，其中心波长也会发生改变，且宽谱偏振光栅需要对所有波长都有良好的透过效果，所以无法通过改变厚度的方法解决薄膜干涉问题。

解决薄膜干涉的另一种方法是使用折射率补偿，即，采用一种与偏振光栅材料折射率相近的材料与其相接触，可以显著减弱介质交界处的反射，从而抑制薄膜干涉。对于液晶偏振光栅而言，使用折射率补偿的方法更可行。

发明内容

本发明所要技术解决问题是：提供一种优化结构，以减弱宽谱偏振光栅的透过率扰动问题。

本发明的技术解决方案是：在宽谱偏振光栅与空气接触的表面蒸镀一层与其材料折射率相近的补偿膜层。

补偿膜层：用来进行折射率补偿以减弱薄膜干涉。其材料的选择应该符合以下3点要求：

●折射率与偏振光栅材料折射率相近

●色散小，尽量减少材料色差的引入。

●尽量选择成本低，制备工艺成熟的材料

如选择SiO2(n＝1.47)作为补偿膜层的材料，符合上述要求。增加补偿膜层减小了折射率差值，从而减弱了偏振光栅的薄膜干涉。其原理如公式1所示，薄膜干涉中上下两层界面处反射光的光程差

d为晶体膜层的厚度，n₁,n₂分别为介质和晶体的折射率，i为入射光与界面夹角，在正入射时取90°，λ为入射光波长。由于半波损失的存在，当n1≈n2时，对于任意波长的光而言，反射最弱，透射最强，薄膜干涉被大大减弱。这样，就解决了透过率扰动的问题。此外，补偿膜层还可以防尘防水，起到保护偏振光栅的作用，延长器件的使用寿命。

使用优化后的结构，可以达到很好的降低透过率扰动的效果，如图3所示。在增加补偿膜层与增透膜之后，各波长的透过率均有了明显提升(超过99.5％)，且扰动明显减小(扰动在±0.5％范围内)，达到了很好的优化效果。

附图说明

图1薄膜干涉原理示意图

图2优化后宽谱偏振光栅结构示意图

图3衍射效率扰动示意图

图4增加补偿膜层后衍射效率图

Claims (5)

1.一种基于折射率补偿的宽谱偏振光栅优化方法，其特征在于，该宽谱偏振光栅使用了上下两层介质的封装结构。通过匹配偏振光栅和封装介质的折射率，一方面减小了宽谱偏振光栅的透过率扰动问题，一方面具有保护偏振光栅，防尘防水的优势。

2.如权利要求1所述的宽谱偏振光栅优化结构从上到下依次为(1)补偿膜层，(2)手性偏振光栅，(3)相反手性偏振光栅，(4)玻璃基底。其中补偿膜层是折射率补偿和器件保护的核心结构。

3.如权利要求1所述的宽谱偏振光栅优化方法，是采用与偏振光栅的液晶材料折射率相近的材料作为补偿膜层，覆盖在偏振光栅的表面。这样的结构显著减小了薄膜干涉效应对透过率的影响。

4.如权利要求1所述的液晶偏振光栅是一种基于液晶的衍射光栅，其液晶分子主轴方向随空间坐标呈正弦规律变化，其特性在于将非偏振入射光分束成若干具有不同偏振态的子光波。液晶偏振光栅工作在半波条件下，即对单一波长满足最佳匹配，呈现接近100％的衍射效率。

5.如权利要求1所述的宽谱段偏振液晶光栅采用多层手性液晶叠加的方法拓宽偏振光栅的有效带宽，两层手性层叠加伴随Δλ/λ～56％，其理论衍射效率在85％—93％范围。