DE60110941T2

DE60110941T2 - Weitwinkel polarisationsstrahlteiler mit brechzahlmodulierter (rugate) teilerschicht

Info

Publication number: DE60110941T2
Application number: DE60110941T
Authority: DE
Inventors: H. William SOUTHWELL
Original assignee: Teledyne Licensing LLC; Rockwell Scientific Licensing LLC
Current assignee: Teledyne Scientific and Imaging LLC
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2021-09-21
Also published as: US6392801B1; TW522262B; DE60110941D1; EP1390796A2; EP1390796B1; JP2004530145A; KR100591113B1; KR20030046471A; WO2002027385A2; WO2002027385A3; AU2001293053A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Sachgebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf optische Polarisationsvorrichtungen allgemein und insbesondere auf Rugate-Polarisationsstrahlteiler für schmale Wellenlängenbänder.
Beschreibung des in Bezug stehenden Stands der Technik
Ein übliches, optisches Element, bekannt als ein „MacNeille Polarisierer", umfaßt zwei rechtwinklige Prismen, wobei eines davon eine mehrschichtige, dielektrische Beschichtung auf seiner Hypotenusenfläche besitzt. Die zwei Prismen sind mit einem Zement, der eine optische Qualität aufweist, aneinander gebondet, um einen Würfel zu bilden, mit einem ebenen, refraktiven Übergangsschnitt diagonal über den Würfel, wo die zwei Prismen auf einer Fläche verbunden sind. Der Übergang reflektiert teilweise einfallendes Licht und transmittiert dieses teilweise, wodurch ein Strahl aufgeteilt wird. An dem Übergang ist eine Einfallsebene durch zwei Vektoren definiert, einer in der Richtung der Lichtpropagation und der andere normal zu der Oberfläche. Die Komponente des e-Felds des Lichts in der Einfallsebene wird als die „P-Polarisation" Komponente bezeichnet; die Komponente in einer Ebene senkrecht zu der Einfallsebene wird als die „S-Polarisation" bezeichnet. Durch Auswählen des geeigneten Winkels für gegebene Prismen-Materialien mit unterschiedlichen, refraktiven Eigenschaften, ist es möglich, den ausreichend bekannten „Brewster-Zustand" zu erfüllen, der bewirkt, dass die P-polarisierten Komponenten transmittiert werden, während die S-Polarisation reflektiert wird. Demzufolge kann ein Strahl in einen S- und P-polarisierten Strahl aufgeteilt werden.
Eine neuere Verbesserung des Polarisationsstrahlteilers ist in dem US-Patent Nr. 5,828,489 für Johnson et al. (1998) beschrieben. Dieser patentierte Strahlteiler verwendet einen gradieten-Index-Film, genauer gesagt ein „Rugate"-Filter, der einen Brechungsindex besitzt, der mit einer Tiefe in den Film hinein oszilliert. Das Rugate-Filter ist in ein optisches Medium unter einem Winkel in Bezug auf einen Einfallsstrahl eingebettet. Diese patentierte Strahlteiler-Anordnung reflektiert effizient S-polarisiertes Licht unter spezifi schen, kleinen Wellenlängen, während S-polarisiertes Licht unter anderen Wellenlängen transmittiert wird (und P-Polarisation bei allen Wellenlängen). Diese Eigenschaft ist oftmals dann nützlich, wenn mit optischen Quellen mit schmaler Bandbreite (wie beispielsweise Lasern) gearbeitet wird.
Der Rugate-Polarisationsstrahlteiler des Patents von Johnson kann allerdings nur innerhalb bestimmter Grenzen arbeiten. Für die beste Polarisationsauswahl und ein schmales Durchlaßband erfordert die Vorrichtung, dass die einfallende Strahlung nahezu parallel ist, wobei ebene Wellen in einer einzelnen Richtung, ohne die Divergenz einer Konvergenz, propagieren. Dieses Erfordernis führt zu einer Einschränkung: Zuerst muss für eine Polarisationsseparation der Einfallswinkel den Brewster-Winkel anpassen (unter Vorgabe des hohen und niedrigen Brechungsindex der Rugate-Filter-Beschichtung oder des hohen und niedrigen Brechungsindex des Schicht-Stapels in dem MacNeille Polarisierer). Als eine Folge dieser Einschränkung begrenzt der Index des einbettenden Mediums die Auswahl der nutzbaren Geometrie des Strahlteilers. Als zweites ist das chromatische Durchlassband des Rugate-Filters empfindlich für den Einfallswinkel. Deshalb sind ideale Durchlass- und Reflektions-Charakteristika nur unter einem einzigen Einfallswinkel (für einen gegebenen Filter) annäherbar.
1 stellt einen Polarisationsstrahlteiler mit schmaler Wellenlänge (herangezogen von dem Johnson-Patent) in dem Weg eines divergierenden Lichtstrahls dar. Die Ansicht ist vereinfacht, um nur eine Dimension der Divergenz darzustellen, allerdings ist das Prinzip für die Situation in Verbindung mit irgendeinem divergenten Strahl repräsentativ. Es wird angenommen, dass der Hauptstrahl 10 in den Würfel 12 so einfällt, wie dies dargestellt ist, und auf den Rugate-Film 14 unter einem Winkel Φ (zu der normalen 16) einfällt. Für den besten Betrieb können die Periode des Rugate-Films und der Winkel θ der Faltigkeit geeignet, entsprechend den Lehren des Johnson-Patents und bekannter, optischer Prinzipien, ausgewählt werden. Allerdings sollte ersichtlich werden, dass, aufgrund der Diverenz des Strahls, andere Strahlen, wie beispielsweise ein oberer Strahl 18 und ein unterer Strahl 20, die die Faltung unter einem bestimmten Abstand von der optischen Mitte treffen (Schnitt des Hauptstrahls mit der Faltung), Einfallswinkel haben werden, die sich von θ unterscheiden. Demzufolge werden bei der Vorrichtung nach dem Stand der Technik die Rugate-Periode und der Einfallswinkel nicht für alle Strahlen eines divergenten Strahls optimiert sein.
Ein früher beschriebener Rugate-Polarisationsstrahlteiler ist demzufolge nicht in der Lage, die Erfordernisse eines Betriebs unter weiten Winkeln zu erfüllen, während die Auswahl eines schmalen Bands und eine Polarisations-Selektivität beibehalten werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf die vorstehenden Probleme schafft die vorliegende Erfindung einen Polarisationsstrahlteiler, der ein optisches Medium und das Rugate-Filter, das darin eingebettet ist, umfasst. Der Strahlteiler reflektiert effizient S-polarisiertes Licht unter spezifischen, kleinen Wellenlängen, während S-polarisiertes Licht bei allen anderen Wellenlängen transmittiert wird (und P-Polarisation bei allen Wellenlängen).
In einer ersten Ausführungsform umfaßt die Erfindung ein Rugate-Filter, angeordnet in dem Weg eines Strahls in einer solchen Art und Weise, dass der Winkel der Strahlausbreitung innerhalb des Rugate-Filters im wesentlichen gleich zu 45° ist, ungeachtet irgendwelchen Variationen des Einfallswinkels über die Faltung (Rugate). Für den speziellen Fall eines kollimierten Strahls kann dieses Erfordernis durch Orientieren des Rugate-Filters unter einem Winkel zu dem Strahl erfüllt werden, wobei der Winkel das Snell'sche Gesetz, das den durchschnittlichen Rugate-Index, der den Index des eingebetteten, optischen Mediums und das Erfordernis, dass der Winkel des Strahls innerhalb der Faltung 45 Grad besteht, erfüllt. Der Index des optischen Mediums muss nicht den durchschnittlichen Rugate-Index anpassen. Für den allgemeineren Fall eines divergenten (oder konvergenten) Strahls umfaßt die erste Ausführungsform ein Rugate-Filter mit einem durchschnittlichen Brechungsindex, der mit der Position auf der Rugate-Ebene in der Nicht-Dickenrichtung variiert. Die Variation in dem durchschnittlichen Rugate-Index kompensiert Variationen eines Einfallswinkels über den Lichtstrahl (z. B. über einen divergenten Kegel).
In der zweiten Ausführungsform variiert die Rugate-Periode über die Oberfläche der Faltung, während der durchschnittliche Rugate-Index im wesentlichen konstant über die Oberfläche verbleibt (nicht mit der Position in den Nicht-Dickenrichtungen variiert). Eine vorbestimmte Variation in der Periode wird angewandt, um Variationen in dem Einfallswinkel über den Lichtstrahl zu kompensieren (z. B. über einen konisch divergenten Strahl).
Allgemeiner ausgedrückt ist eine nicht begrenzte Zahl von Variationen der Erfindung möglich, die sowohl den durchschnittlichen Rugate-Index als auch die Rugate-Periode als Funktionen einer Position auf der Rugate-Oberfläche, entsprechend einer vor bestimmten Beziehung, ausgewählt so, um Variationen in dem Einfallswinkel über den Lichtstrahl zu kompensieren, variieren.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet aus der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ersichtlich werden, die zusammen mit den beigefügten Zeichnungen vorgenommen wird, in denen:
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Draufsicht eines Strahlteilers nach dem Stand der Technik, umfassend zwei rechtwinklige Prismen, die mit einem eingebetteten Rugate-Filter zwischen den Hypotenusenflächen verbunden sind;
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Strahlteilers gemäß der Erfindung;
3 zeigt eine Aufrißansicht des Strahlteilers der 2;
4 zeigt eine Draufsicht eines Strahlteilers entsprechend der Erfindung mit einem passenden Referenzkoordinatensystem, das darüber gelegt ist;
5 zeigt eine Schnittansicht, vorgenommen entlang einer Schnittlinie 4 in 4;
6 zeigt eine Graphik mit mehreren Kurven, die die Abhängigkeit des Brechungsindex und der Position eines Rugate-Filters gemäß der Erfindung darstellt;
7 zeigt eine graphische Darstellung des Brechungsindex als eine Funktion einer Tiefe in einer Rugate (Falte) in die Dicken-Richtung hinein, drei Funktionen entsprechend zu drei unterschiedlichen Positionen eines Rugate-Filters der Erfindung darstellend;
8 zeigt eine graphische Darstellung einer typischen Durchlassband-Charakteristik der Erfindung, eine s-Komponenten-Reflektion gegenüber einer Wellenlänge für einen beispielhaften Rugate-Polarisationsstrahlteiler darstellend;
9 zeigt ein Verfahren in einer Draufsicht, das dazu verwendet werden kann, Rugate-Filter mit räumlich variierenden, durchschnittlichen Brechungsindices herzustellen, geeignet zur Verwendung in der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist ein Rugate-Polarisationsstrahlteiler, der zum Arbeiten mit einem winkelmäßig divergenten Lichtstrahl geeignet ist. Z. B. arbeitet, in einer typischen Ausführungsform, die Erfindung in einem Kegel von ± 15 Grad, was ungefähr äquivalent zu einer f/1,93 Apertur ist.
Wie in 2 dargestellt ist, wird die Erfindung typischerweise und am geeignetesten in Verbindung mit Lichtstrahlen verwendet, die konisch von einem Fokuspunkt f aus divergieren. Ein Strahlteilerwürfel 30 ist aus zwei optisch miteinander verbundenen Prismen 32 und 34 (die zusammen ein optisches Medium darstellen) aufgebaut, wobei ein Rugate-Filter 36 auf der diagonalen Verbindungsfläche des Prismas, demzufolge eingebettet in das optische Medium, niedergeschlagen ist. Die Materialien und der Aufbau der Prismen und des Würfels können geeignet ähnlich zu solchen sein, die in dem U.S. Patent Nr. 5,828,489 beschrieben sind, allerdings ist das Rugate-Filter 36 der vorliegenden Erfindung sehr gegenüber demjenigen, das zuvor beschrieben ist, unterschiedlich.
Im Betrieb wird der Würfel 30 in dem optischen Weg eines konisch divergierenden Strahls 40 platziert, der von einem Fokuspunkt f aus divergiert. Hier wird ein Hauptstrahl 44 in der Mitte des Kegels des Strahls 45 definiert und weiterhin wird eine „optische Mitte" als der Schnitt des Hauptstrahls 34 mit der Ebene des Rugate-Filters 36 definiert (der Schnitt des Lichtkegels 45 mit der Ebene des Rugate beschreibt eine Ellipse 48, einen der Kegelschnitte der klassischen Geometrie). Es ist anzumerken, dass der Einfallswinkel des Lichtstrahls 45 auf das Rugate-Filter 36 über den Kegel variiert.
Die Winkelvariation über den Kegel ist in der Aufrissansicht in 3 besser ersichtlich (obwohl nur eine Dimension der Winkelvariation zur Vereinfachung dargestellt ist, existiert eine ähnliche Winkelvariation in anderen Ebenen, wie erkannt werden wird). In einer typischen Ausführungsform besitzt der halbe Würfel 32 einen Brechungsindex höher als derjenige von Luft (1,75 ist typisch). Demzufolge wird die Brechung die Divergenz des Lichtstrahls 45 etwas verringern. Wenn der Hauptstrahl auf die vordere Fläche 40 des Würfels unter einem rechten Winkel auftrifft, werden der oberste Strahl 46 und der unterste Strahl 48 leicht zu der Normalen hin gebrochen. In einer typischen Ausführungsform mit einem Prisma mit einem Brechungsindex von 1,75 würde der anfängliche Kegel der Divergenz von ± 15 Grad in Luft zu einem Kegel von ± 8,5 Grad innerhalb des Prismas verringert werden.
Es ist angebracht, die Erfindung im Hinblick auf den üblichen, allerdings speziellen, Fall zu erläutern, bei dem die Rugate (Falte) 36 in einer Ebene unter einem Winkel von 45 Grad zu dem Hauptstrahl liegt, wie dies in 3 dargestellt ist. Die Gleichungen, die folgen, können allgemein auf andere Einfallswinkel so, wie dies erforderlich ist, angewandt werden. Die Erfindung ist nicht dazu vorgesehen, auf einen Einfallswinkel von 45°, oder auf 45° eines Strahlteilerwürfels, wie dies dargestellt ist, beschränkt zu sein.
Gemäß der Erfindung besitzt das Rugate-Filter 36 einen mittleren Brechungsindex, der mit der Position über die Oberfläche des Filters variiert. Dieser Index wird in einer solchen Art und Weise variiert, dass eine Null-P-Polarisation-Reflektion über den Einfallskegel beibehalten wird, während die schmale Bandpaßcharakteristik auch über den Einfallskegel beibehalten wird. Damit dies auftritt, wurde entdeckt, dass der Winkel der optischen Strahlen innerhalb des Rugate-Filters, mit seinem lokalen, durchschnittlichen Brechungsindex n_a, im wesentlichen gleich zu 45 Grad sein sollte. Am Bevorzugtesten sollte der Winkel der Strahlen in der Rugate exakt gleich zu 45° sein; für eine adäquate Arbeitsweise sollte der Winkel der Rugate innerhalb von +/–3° von 45 Grad liegen.
Dies kann wie folgt demonstriert werden. Für einen MacNeille Polarisierer wird die P-Komponenten-Reflektion der Rugate-Linie unterdrückt, wenn die folgende Bedingung gilt: tanθL = nH / nL, (Gleichung 1)wobei n_H und n_L der hohe und der niedrige Wert der sinusförmigen Brechungsindexvariation der Rugate-Beschichtung sind. θ_L ist der Propagationswinkel des Lichts des niedrigen Teils des Brechungsindexzyklus. Allerdings sind in einer Rugate mit sinusförmiger Indexvariation keine diskontinuierlichen Variationen des Brechungsindex vorhanden. Im Gegensatz dazu ist eine sinusförmige Variation des Index vorhanden, entsprechend der Gleichung:
wobei n_a der durchschnittliche Index ist, n_p die Variation Peak zu Peak in dem Rugate-Index ist und t die Dickendimension in den Rugate-Film hinein in einer normalen Richtung ist.
In Termen des Brechungsindex-Durchschnitts n_a und der Sinuswellenamplitude n_p/2 erhält man, nH = (na + np / 2) und nL = (na – np / 2). (Gleichung 3)
Das Rugate-Filter ist auf der Hypotenuse eines Prismas, eingebettet auf einem anderen solchen Prisma, niedergeschlagen. Demzufolge befindet sich das Licht, das auf die Rugate-Beschichtung einfällt, in dem Substrat n_s unter einem Winkel θ_s, der zu θ_L des Snell'schen Gesetzes in Bezug gesetzt ist. nLsinθL = nssinθs. (Gleichung 4)
Indem der sin als tan/(1+tan²)^1/2 geschrieben wird, und unter Verwendung der Gleichungen (1), (2) und (3) vorstehend wird Gleichung (4), (na + np / 2) /[1 + {(na + np / 2)/(na – np / 2)}2]1/2 = nssinθs (Gleichung 5)ein angenäherter Ausdruck für die normale Einfallsbandbreite Bist gegeben durch B=np/(2na) (Gleichung 6)
Dies führt zu der folgenden Gleichung für den durchschnittlichen Rugate-Index na=nssinθs [1 + {(1 + B)/(1 – B)}2]1/2/(1 + B), na≅nssinθs21/2(1+382/2). (Gleichung 7)
Für kleine Bandbreiten bis zu 8% kann Gleichung (7) auf innerhalb von 1 % eines Fehlers durch den Ausdruck
angenähert werden.
Es ist interessant anzumerken, dass dieses Ergebnis von n_L, n_h oder n_p unabhängig ist. Gleichung (8) liefert ein Mittel, um den durchschnittlichen Rugate-Index für ein gegebenes Prisma-Material oder einen Winkel auszuwählen. θ_s wird 45 Grad für ein rechtwinkliges Prisma sein, was einen strahlteilenden Würfel ergibt. Der Winkel α gegenüberliegend der Hypotenuse ist 45 Grad für ein rechtwinkliges Prisma. Andere Einfallswinkel können verwendet werden, wobei, in einem Fall für normale Prismen-Eintritts- und -Austrittsflächen, der Scheitelwinkel gegeben ist durch α=π–2θs. (Gleichung 9)
Für einen kollimierten Strahl sind die Gleichungen (8) und (9) die Design-Daumen-Regeln für Polarisations-Rugate-Strahlteiler. Falls man es wünscht, einen Würfel zu verwenden, gilt sin θ_s=1/√2.
Demzufolge muss man entsprechend Gleichung (7) n_a=n_s auswählen, wobei der durchschnittliche Index derjenige des Prismen-Substrats sein muss. Andererseits könnte man so auswählen, um zwei gleichseitige Prismen auszuwählen, wobei θ_s=60° gilt. In die sem Fall gilt α=60° und n_a=1,2247n_s. Demzufolge wird, wenn man n_s=1,47 auswählt, dann der durchschnittliche Index n_a=1,80 sein. Oder falls n_s=1,52 gilt, dann gilt n_a=1,86.
Eine andere Design-Regel ist für polarisierende Strahlteiler notwendig. Da die Beschichtung für einen normalen Einfall niedergeschlagen wird und die Dicke überwacht wird, ist es notwendig, zu bestimmen, was die normale Einfalls-Rugate-Periode λ_N ist, die dann, wenn sie auf einen Winkel θ_s in dem Einfallsmedium gesetzt wird, das Nicht-Durchlassband bei der vorgesehenen Wellenlänge λ erzeugen wird.
Der Ausdruck, der sich auf diese Grössen bezieht, ist (siehe Gleichungen (70) und (71) in „spectral response calculations of rugate Filters using coupled-wave theory", von W.H. Southwell, J. Opt. Soc. Am. A,5, 1558–1564 (1988)) λN = λ/cosθa, (Gleichung 10)wobei θ_a der Propagationswinkel in dem Rugate-Filter ist. Aus dem Snell'schen Gesetz erhält man nasinθa = nssinθs, (Gleichung 11)so dass,
Unter Verwendung von Gleichung (7) vorstehend wird dies noch weiter reduziert λN=λ√2 (Gleichung 13)
Demzufolge ist, zum Beispiel, falls der Polarisationsstrahlteiler so ausgelegt ist, um bei 550 nm zu arbeiten, dann die Normal-Einfalls-Rugate-Linie bei 550 (1,414) = 777,8 nm.
Dies ist ein bemerkenswert einfaches Ergebnis. Wenn die Polarisationsbedingung, gegeben durch Gleichung (7), erfüllt ist, dann ist die Normal-Einfalls-Rugate-Periode durch die Quadratwurzel des Zweifachen der vorgesehenen Wellenlänge gegeben, ungeachtet des Substrat-Index, des Einfallswinkels des durchschnittlichen Rugate-Index oder der Bandbreite des Nicht-Durchlassbands. Weiterhin ist die Polarisationsbedingung selbst, Gleichung (7), auch von der Bandbreite des Rugate-Nicht-Durchlassbands für kleine Bandbreiten unabhängig.
Das vorstehende Ergebnis, dass der Winkel der Strahlen in der Rugate gleich 45 Grad sein sollte, kann dazu verwendet werden, eine bevorzugte Variation des Rugate-Durchschnitts-Index (n_a) als eine Funktion der Position auf der Rugate-Fläche zu berech nen, um einen divergenten Strahl entsprechend der Erfindung zu kompensieren. Für das Snell'sche Gesetz folgt, dass nsSinθs = naSinθa (Gleichung 14)wobei θ_s der Winkel eines Strahls in dem Prisma (das das optische Medium einbettet) ist, wobei er die Rugate-Beschichtung schneidet, n_a der durchschnittliche Brechungsindex der Rugate ist und n_s der Brechungsindex des optischen Mediums (32 und 34) in den 2 und 3 ist.
Es sollte verständlich werden, dass sich der durchschnittliche Brechungsindex, n_a, auf eine skalare Funktion einer Position bezieht, die zu jeder Position auf der Oberfläche eines Durchschnittswerts des Brechungsindex an dieser Position auf der Rugate-Fläche zugeordnet ist, wobei die Durchschnittsbildung über die Dickendimension in dem Rugate erfolgt (d. h., Tiefe in die Beschichtung hinein). Demzufolge ist ein Durchschnittswert n_a jeder Position auf der Rugate-Fläche zugeordnet. Der Rugate-Brechungsindex wird typischerweise in der Dickenrichtung entsprechend Gleichung 2 vorstehend variieren.
Innerhalb eines divergenten Strahlkegels wird θ_s entsprechend der Verschiebung des Strahls von der optischen Mitte (Schnitt des Hauptstrahls mit dem Rugate) variieren. Um dies zu kompensieren, variiert eine erste Ausführungsform der Erfindung den Wert von n_a mit einer Position auf der Rugate, entsprechend zu der Gleichung na = √2n s Sinθ s (Gleichung 15)Zum Beispiel wird, in einer spezifischen Ausführungsform, in der θ_s zwischen 36,5 und 53,5 Grad in einem divergenten Kegel variiert, für ein optisches Medium mit n=1,75 (optisches Glas), der durchschnittliche Brechungsindex der Rugate durch die Erfindung zwischen 1,523 und 2,040 variiert (was innerhalb des Bereichs von Brechungsindexwerten liegt, die durch eine Co-Verdampfung von Oxiden erreichbar ist).
Um am präzisesten die Variation in dem Einfallswinkel über den Einfallskegel zu kompensieren, sollte n_a entsprechend der Erfindung ungefähr entsprechend zu einer spezifischen Funktion einer Position, gemessen von einer definierten, optischen Mitte aus, variieren. Ein geeignetes Koordinatensystem, um diese Funktion zu definieren, ist in den 4 und 5 dargestellt. 4 zeigt eine Draufsicht, die die Rugate-Ebene darstellt, mit einem Satz von Axen, die übereinander gelegt sind. Die Z-Axe zeigt aus der Bildebene, normal zu der Rugatefläche, heraus. 5 stellt eine Aufrissansicht des Strahlteilerwürfels mit einer Diagonal-Rugate 36 dar (hier dargestellt bei einem typischen Winkel von 45°). Die Z- und Y-Axen sind angegeben, mit einem Ursprung 56 an dem Schnitt des Hauptstrahls mit der Rugate.
Indem Koordinatensystem, das dargestellt ist, wird irgendeine Position in der Rugate-Filterebene durch einen Vektor r=(x,y,0) spezifiziert. Alle Vektoren der optischen Strahlen gehen von dem Fokuspunkt f aus, der sich an dem Punkt s=(0,–f,–f) in dem Koordinatensystem befindet. Demzufolge ist der Strahlvektor an einem Punkt r gegeben durch v=r–s=(x,y+f,f). Da der Normalen-Vektor an irgendeinem Punkt in der Filterebene n=(0,0,1) ist, gibt das Punkt-Produkt von v und n den Kosinus des Einfallswinkels θ_s an. Cosθs = V · n/|v| = f/[x2 +(y+f)2|f2]1/2 (Gleichung 16)
Demzufolge ist der bevorzugte Brechungsindex, für jeden Punkt auf der Filterebene, durch die Gleichung gegeben:
Diese Gleichung ergibt eine kreisförmige Symmetrie um einen Punkt herum, der sich nicht an der Mitte des Filters befindet, sondern an einem Punkt X=0 und Y=–f. Die Mitte der Symmetrie könnte außerhalb des Filters liegen, und liegt typischerweise außerhalb des Filters.
6 zeigt einen Multivariate-Ausdruck des normierten, durchschnittlichen Brechungsindex für ein typisches Rugate-Filter entsprechend der Erfindung, für einen spezifischen, polarisierenden Strahlteiler mit einer Filterebene von 45 Grad, einer 1×1 Inch Filteroberfläche, einem optischen Kegel mit 15 Grad, und mit dem Filter in einem optischen Medium mit einem Brechungsindex gleich zu 1,75 eingebettet. Die verschiedenen Kurven sind für unterschiedliche y-Werte bezeichnet, und die Kurve für jeden y-Wert stellt eine Variation des Index als eine Funktion der x-Position dar.
Es ist offensichtlich, dass andere Koordinatensysteme unterschiedlich definiert werden könnten, was zu unterschiedlichen Gleichungen, allerdings äquivalenten Beziehungen, zwischen dem durchschnittlichen Brechungsindex und der Position auf der Rugate führen würde, so dass die S-Polarisations-Komponente im wesentlichen vollständig reflektiert wird, während die P-Polarisations-Komponente im wesentlichen vollständig transmit tiert wird, und zwar für alle Strahlen innerhalb eines Kegels. Solche Variationen liegen auch innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung.
Ein Filter, aufgebaut entsprechend zu Gleichung 17, oder eine äquivalente Beziehung, wird dahingehend sichergestellt, dass sie ein Polarisierer für alle Winkel in einem gegebenen Kegel ist, und für alle Wellenlängen innerhalb des Rugate-Reflektionsbands. Die p-Polarisation wird für alle Winkel in dem Kegel und für alle Wellenlängen transmittiert. Ein spezifischer Rugate-Dicke-Gradient ist nicht notwendig. Anstelle davon kompensiert der Gradient de durchschnittlichen Brechungsindex die Winkelvariation über den Rugate.
7 stellt Ausdrucke von typischen Rugate-Brechungsindices in bestimmten Ebenen als eine Funktion einer Tiefe in die Rugate hinein, und zwar entsprechend der Erfindung, dar. Die Rugate-Periode ist gegeben durch λ/(2n), wobei λ die erwünschte Wellenlänge der Lichtquelle ist (oder die für die Rugate ausgewählte Wellenlänge). Die obere Kurve 80 steht für einen Strahl an der Oberseite des Filters, mit einem Einfallswinkel von 53,2671 Grad und mit n_av von 2,04; die mittlere Kurve 82 steht für θ=45 Grad, n_av=1,8, die untere Kurve 84 steht für θ=36,733 Grad, n_av=1,523.
Die Bandbreite der Rugate variiert als n_p/n_av. Am Bevorzugtesten werden quintische Funktionen an der Rugate-Zwischenfläche angewandt, um den (oszillierenden) Rugate-Index an den konstanten Index des optischen Mediums, in das er eingebettet ist, anzupassen. Siehe U.S. Patente Nr'n 5,828,489 und 4,583,822 für eine Diskussion der Verwendung von quintischen Funktionen, um eine Brechungsindex-Diskontinuität zwischen dem Rugate-Filter und dem einbettenden Medium zu minimieren.
8 stellt eine typische Durchlassband-Charakteristik für die Beispiel-Rugate von 6 dar. Das Reflextionsvermögen der S-Komponente der Polarisation ist hoch innerhalb des schmalen Durchlassbands, zentriert um ungefähr 546 nm, und hört schart außerhalb des Durchlassbands auf. Die Reflextion der P-Komponente ist nahezu Null bei allen Wellenlängen und für alle Strahlen innerhalb des Kegels.
Ein spezieller Fall der Erfindung wendet sich dem speziellen Fall zu, bei dem eine Divergenz des Strahls Null ist (d.h. ein collimierter Strahl). Gemäß der Erfindung ist der Winkel θ des Strahls innerhalb der Rugate auf im Wesentlichen 45 Grad eingeschränkt, um den polarisierenden Strahlteiler herzustellen. Diese Bedingung ist von den hohen und niedrigen Extrema des Rugate-Brechungsindex abhängig. Der durchschnittliche Rugate-Brechungsindex kann auch so hergestellt werden, um diesen Zustand für nahezu irgend einen gegebenen Einfallswinkel in dem einbettenden, optischen Medium zu erzeugen. Demzufolge ist der Strahlteiler der Erfindung in Verbindung mit einem weiten Bereich von optischen Medien und über einen weiten Bereich von optischen Geometrien verwendbar. Der Index des einbettenden, optischen Mediums kann höher oder niedriger als derjenige der Rugate sein.
Um einen geeignet inhomogenen, räumlich variierenden, durchschnittlichen Brechungsindex für die Rugate zu erhalten, muss ein bestimmtes, geeignetes Verfahren zum Beschichten verwendet werden, um das Rugate-Filter entsprechend der Erfindung herzustellen.
Ein allgemeines Verfahren zum Herstellen von Rugate ist dasjenige eines Aufbringens sehr dünner Schichten aus zwei unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien im Wechsel, wobei jede Schicht geringer als ¼ einer Wellenlänge dick ist. Ein Beschichtungsmaterial besitzt einen höheren Brechungsindex, und das andere besitzt einen niedrigeren Brechungsindex. Mit solchen dünnen Schichten ist der Effekt äquivalent zu einer dickeren Schicht mit durchschnittlichem Index. Um den Index zu variieren, werden viele solcher Schichten aufgebracht, während die relative Menge oder die Dicke der Komponenten mit hohem und niedrigem Brechungsindex variiert werden. Demzufolge wird, um eine sinusförmigen Rugate zu erzeugen, das Verhältnis der Beschichtungskomponenten mit hohem zu niedrigem Index mehr oder weniger sinusförmig variiert. In geeigneter Weise wird die Menge durch Variieren der Niederschlagsrate moduliert. Verschiedene, herkömmliche Techniken für ein Niederschlagen sind bekannt: zum Beispiel Laserverdampfen oder Sputtern von dielektrischen Materialien.
Typische Materialien, die für eine Beschichtungskomponente mit höherem Index verwendbar sind, umfassen: TiO₂ und Nb₂O₅. Typische, dielektrische Materialien, die für die Beschichtungskomponente mit niedrigerem Index verwendbar sind, umfassen SiO₂ und Al₂O₃.
Wie zuvor angeführt, wird das erwünschte Profil eines durchschnittlichen Brechungsindex für das Rugate-Filter eine zirkularen Symmetrie um einen Punkt außerhalb des Strahlteilers haben. Dies ermöglicht die Verwendung von Beschichtungstechniken, die das optische Teil um eine Mitte herum drehen, wie dies in 8 dargestellt ist, um eine zirkulare Symmetrie zu erreichen. Individuelle Halb-Strahlteiler 90 werden geeignet in einem Bogen oder Kreis auf einer drehbaren Plattform montiert. Eine Verdampfungsquelle, wie beispielsweise eine gesputterte, dielektrische Quelle, ist in der Nähe der Plattform an einer festgelegten Stelle angeordnet, so dass die Strahlteiler die Quelle an einem Punkt passieren werden, wenn sich die Plattform in einem Bogen 92 dreht. Ein dielektrisches Material von der Quelle wird sich auf der Oberfläche der Strahlteilerkomponenten niederschlagen, wenn sie die Quelle passieren, in einem Bogen 92 laufend. Eine ausgeschnittene Maske 94 ist zwischen der Dampfquelle und den (oberhalb der Bildebene) Strahlteilern 40 zwischengefügt, um die Menge eines Niederschlags in Bezug auf die Position auf der Oberfläche der Komponenten, entsprechend einem vordefinierten, erwünschten Profil oder einer Funktion, zu kontrollieren. Für die Rugate der vorliegenden Erfindung werden die Komponenten um eine Position f herum gedreht werden, die außerhalb der Fläche der Komponenten liegt. Die Drehung während einer Beschichtung sollte schnell genug sein, um sicherzustellen, dass die Aufbringung eine zirkulare Symmetrie besitzt.
Die Maske 94 stellt beispielhaft solche dar, die dazu verwendet werden, den Strahlteiler der Erfindung herzustellen. Die Breite w variiert in Bezug auf eine Verschiebung in der radialen Richtung r; demzufolge variiert die Länge einer Belichtung für eine gegebene Position der optischen Oberfläche in Bezug auf die Position in der r-Richtung. Deshalb variiert die Menge (Dicke) eines Dielektrikums, das niedergeschlagen ist, als eine Funktion der r-Koordinate. Das Breiten-Profil der Maske kann leicht basierend auf den Gleichungen, vorstehend, berechnet werden, um die durchschnittlichen Index-Variationen so, wie dies erwünscht ist, zu erzeugen.
Obwohl nur eine Maske in 9 dargestellt ist, werden zwei solcher Masken bevorzugt verwendet, um alternierend Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex niederzuschlagen, um einen oszillierenden Index eines Rugate-Filters zu erzeugen. Wie wiederum 7 zeigt, sollte der Brechungsindex in Bezug auf die Dickendimension der Beschichtungen in einer oszillierenden Art und Weise variieren (wie in der individuellen Kurve 82). Diese Oszillation kann durch Modellieren der relativen Rate eines Niederschlags von Dielektrika mit hohem und niedrigem Index erzeugt werden, was demzufolge bei jeder Tiefe einen spezifischen, erwünschten Brechungsindex erzeugt. Gleichzeitig besitzt der durchschnittliche Index (gemittelt über alle Tiefen in der Dickendimension, durch den Rugate) eine Variation als eine Funktion der Position der Rugate (x, y). Diese Variation in dem durchschnittlichen Index n_av wird vorzugsweise durch Bereitstellen eines spezifischen Breiten-Profils der Maske 94 hergestellt.
Um die Variation in dem durchschnittlichen Index der Rugate gemäß der Erfindung herzustellen, ist es äußerst bevorzugt, dass sich die Masken, die für Materialien mit niedrigem und hohem Brechungsindex verwendet werden, voneinander unterscheiden. Ein geeignetes Verfahren ist dasjenige, das Material mit niedrigem Brechungsindex nicht zu maskieren und das Material mit hohem Brechungsindex durch eine konturierte Maske zu variieren, so dass ein Teil der Filteroberfläche ein höheres, relatives Verhältnis der Beschichtung mit hohem Brechungsindex haben wird.
Die Lösung der Erfindung – –die den durchschnittlichen Rugate-Index über den Filter variiert – –ist ausgezeichnet für alternierende Maßnahmen, die für Strahlteiler mit weitem Winkel und schmalem Band versucht werden könnten. Wie vorstehend in Verbindung mit dem Hintergrund der Erfindung diskutiert ist, ist es, um weit variierende Einfallswinkel aufzunehmen, nicht zufriedenstellend, nur eine Rugate mit einem Breitbandfilter herzustellen. Eine solche Maßnahme erzeugt eine Rugate, die wesentlich s-polarisiertes Licht über das gesamte, sichtbare Spektrum reflektiert (unter der Annahme eines konischen Felds mit mindestens 15 Grad). Demzufolge wird die spektrale Selektivität stark beeinträchtigt. Es ist auch nicht ausreichend, eine Rugate über die Herstellung zu kompensieren, die in der Dicke über ihre Oberfläche variiert. Diese Maßnahme erzeugt eine Rugate-Periode, die, über das Filter so variiert, dass eine Reflextion bei einer gegebenen Wellenlänge über den divergenten Strahlkegel auftritt. Allerdings reflektiert, bei extremen Winkeln des Einfallskegels, eine solche Rugate wesentlich P-Komponenten des Strahls. Demzufolge leidet die Polarisation selektiv. Im Gegensatz dazu liefert ein Variieren des durchschnittlichen Rugate-Brechungsindex über das Filter eine spektrale und Polarisationsselektivität über einen weltwinkligen Kegel.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird der durchschnittliche Rugate-Index bei einem im Wesentlichen konstanten Wert in Bezug auf eine Position der Rugate-Oberfläche beibehalten, während die Periode der Rugate so variiert wird, um Variationen in dem Einfallswinkel des Strahls über die Rugate-Fläche zu kompensieren. Die Variation in der Periode wird einfach durch Berücksichtigung von Gleichung 2, vorstehend, berechnet. Es ist anzumerken, dass, in Gleichung 2, P=λ/2n_a gilt, wobei P die Periode des Rugate-Zyklus ist, λ die Wellenlänge der Rugate-Linien-Mitte ist. Demzufolge kann eine äquivalente Rugate durch Halten des Rugate-Durchschnitts-Index auf einer Konstanten reali siert werden, während die Periode der Rugate während einer Herstellung variiert wird, entsprechend der Beziehung: P(θs) = λ/2na(θ) (Gleichung 18)wobei n_z(θ_s) aus der optischen Geometrie, oder, in einem speziellen Fall (konische Divergenz), in Termen von x, y, wie dies zuvor diskutiert ist, berechnet werden kann.
Es sollte auch ersichtlich sein, dass ein ähnliches Ergebnis durch Variieren sowohl der Periode als auch des durchschnittlichen Index des Rugate-Filters als Funktionen einer Position auf der Rugate-Filter-Oberfläche erhalten werden könnte, um Variationen in dem Einfallswinkel über den Strahl zu kompensieren. Die Variation in der Periode und dem durchschnittlichen Index sollte Gleichung 19 für alle Punkte auf der Oberfläche und innerhalb des Strahlpunkts bzw. –flecks erfüllen. Ein Variieren beider Indices in einer komplementären Weise, um eine solche Kompensation vorzunehmen, liegt auch innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung. Eine potenziell unbegrenzte Zahl von Variationen ist zwischen den zwei Extremfällen möglich ist: (1) Variieren des Durchschnitts-Rugate-Index, während die Periode konstant gehalten wird, und (2) Variieren der Periode, während der durchschnittliche Index konstant gehalten wird.
Während verschiedene erläuternde Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, werden zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen Fachleuten auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden. Alternative Mittel zum Beschichten mit einem Niederschlag sind bekannt und könnten eingesetzt werden. Verschiedene Apodizing-Funktionen und Strahlteiler-Geometrien könnten eingesetzt werden. Die Rugate-Variationen könnten für entweder einen divergenten oder einen konvergenten Strahl zugeschnitten werden. Die Divergenz (oder Konvergenz) des optischen Kegels könnte größer oder kleiner sein. Ein kubischer Strahlteiler ist nur in den Figuren dargestellt, da eine solche Form herkömmlich und geläufig ist, allerdings nicht zur Einschränkung. Verschiedene optische Medien könnten eingesetzt werden, vorausgesetzt, dass die geeigneten Einstellungen beim Berechnen der erwünschten Rugate und der optischen Parameter vorgenommen werden. Sowohl Breitband- als auch Schmalband-Variationen könnten, durch Modifizieren der Rugate-Parameter, realisiert werden. Solche Variationen und alternative Ausführungsformen sind vorgesehen und können vorgenommen werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Claims

Polarisierender Strahlteiler, der zum Teilen eines nicht kollimierten Lichtstrahls geeignet ist und umfasst: ein optisches Medium (30) und ein Rugate-Filter (36) an einer Oberfläche, das in das optische Medium auf dem Weg des Lichtstrahls eingebettet ist, wobei das Rugate-Filter einen durchschnittlichen Brechungsindex an jeder Position an der Oberfläche und eine Periode an jeder Position an der Oberfläche hat; wobei wenigstens der durchschnittliche Brechungsindex und die Periode mit der Position an der Oberfläche variiert, um Unterschiede hinsichtlich des Durchlassvermögens und des Reflektionsvermögens der Polarisationskomponenten als eine Funktion des Auftreffwinkels über den nicht kollimierten Lichtstrahl auszugleichen.
Polarisierender Strahlteiler nach Anspruch 1, wobei der durchschnittliche Brechungsindex mit der Position an dem Filter in einer Nicht-Dicken-Abmessung variiert, um Unterschiede bezüglich des Auftreffwinkels über den Lichtstrahl auszugleichen.
Polarisierender Strahlteiler nach Anspruch 2, wobei das Rugate-Filter in einem nicht-rechten Winkel in Bezug auf einen Hauptstrahl (44) des Lichtstrahls angeordnet ist und der durchschnittliche Brechungsindex entsprechend der folgenden Gleichung variiert:
wobei x, y cartesische Koordinaten, gemessen von einem Ursprung an dem Schnittpunkt eines Hauptstrahls und des Rugate-Filters, sind, f die y-Koordinate von dem Ursprung des Brennpunktes und des Streustrahls ist, n_a der durchschnittliche Index an dem Schnittpunkt des Hauptstrahls mit dem Rugate-Filter ist und n_s der Brechungsindex des optischen Mediums ist.
Polarisierender Strahlteiler nach Anspruch 2, wobei der durchschnittliche Brechungsindex annähernd entsprechend der folgenden Beziehung variiert: na = √2n s sin θ s wobei n_a der lokale durchschnittliche Index an dem Schnittpunkt eines Strahls mit dem Rugate-Filter ist, n_s der Brechungsindex des optischen Mediums ist und θ_s der Auftreffwinkel eines Strahls vom Brennpunkt am Schnittpunkt mit dem Rugate-Filter ist.
Polarisierender Strahlteiler nach Anspruch 2, wobei das Rugate-Filter ein Polarisations-Wellenlängenband hat, das über seine Oberfläche im Wesentlichen konstant ist.
Polarisierender Strahlteiler nach Anspruch 5, wobei das Rugate-Filter eine oszillierende Indexänderung in der Dickenrichtung mit einer Amplitude hat, die im Verhältnis zur Position in den Nicht-Dicken-Abmessungen variiert, um eine annähernd konstante Bandbreite über das Rugate-Filter aufrechtzuerhalten.
Polarisierender Strahlteiler nach Anspruch 6, wobei die oszillierende Indexänderung auch eine apodisierende Amplituden-Hüllkurve hat.
Polarisierender Strahlteiler nach Anspruch 2, wobei das optische Medium ein Festkörper ist und das Rugate-Filter in den Festkörper in einem 45-Grad-Winkel zu einem Hauptstrahl des Lichtstrahls eingebettet ist.
Polarisierender Strahlteiler nach Anspruch 2, wobei das optische Medium ein Paar Prismen (32, 34) umfasst, die an einander zugewandten Seiten zusammengefügt sind, und das Rugate-Filter zwischen den zusammengefügten Seiten der Prismen angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines polarisierenden Rugate-Strahlteilers, der zum Teilen eines nicht kollimierten Strahls aus Lichtstrahlen geeignet ist, das die folgenden Schritte umfasst: Auftragen mehrerer Schichten aus wenigstens zwei Materialien, d.h. einem ersten Material mit einem relativ höheren Brechungsindex und einem zweiten Material mit einem relativ niedrigeren Brechungsindex; Modulieren der relativen Mengen des ersten und des zweiten Materials, die aufgetragen werden, um eine Oberflächenbeschichtung mit oszillierendem höherem und niedrigerem Index in ihrer Dickenabmessung zu erzeugen; und Variieren eines durchschnittlichen Brechungsindex der Beschichtung als eine Funktion der Position auf der Oberfläche der Beschichtung in ihren Nicht-Dicken-Abmessungen, um Unterschiede hinsichtlich des Durchlassvermögens und des Reflektionsvermögens der Polarisationskomponenten als eine Funktion des Auftreffwinkels für die Strahlen des Streu-Lichtstrahls auszugleichen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Auftragens das Auftragen der Materialien auf eine Oberfläche eines Substrats, während sich das Substrat in einem im Wesentlichen kreisförmigen Bogen dreht, einschließt; und wobei wenigstens eines der Materialien über eine Maske mit einer Öffnung aufgetragen wird, die im Verhältnis zu der radialen Richtung des Kreisbogens variiert.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die wenigstens zwei Beschichtungsmaterialien beide über Masken mit Öffnungen aufgetragen werden, die im Verhältnis zu der radialen Richtung variieren, und die Beschichtung aufgetragen wird, indem die relativen Mengen der Materialien an jeder Schicht variiert werden, um eine Beschichtung mit einem oszillierenden Brechungsindex zu erzeugen, und der oszillierende Index eine Amplituden-Hüllkurve hat, die über die Oberfläche entsprechend einer Funktion variiert, die eine im Wesentlichen konstante Durchlassbandbreite über die Beschichtung für den Streustrahl erzeugt.