性能提升

圖 1 帶分析儀（檢偏器）的簡(jiǎn)化分光光度計(jì)

圖 1 為一個(gè)帶有偏振分析儀（檢偏器）的簡(jiǎn)化分光光度計(jì)光路圖。這種配置在檢測(cè)二向色和雙折射樣品、衍射光柵，或表征樣品的反射特性時(shí)非常有用。

此類分析儀（檢偏器）應(yīng)用中典型的偏振器基于格蘭-泰勒（GT）或格蘭-湯普森（GTh）設(shè)計(jì)，通常使用方解石棱鏡。遺憾的是，方解石固有的吸收以及雜質(zhì)引起的散射會(huì)嚴(yán)重限制 GT 和 GTh 設(shè)計(jì)在紫外波段的透過率和可達(dá)到的信噪比。Moxtek 的 ProFlux UVD 系列偏振器提供了一種替代方案，其深紫外透過率顯著提升，從而獲得更好的信噪比性能。
 

圖 2 ProFlux UVD260 與格蘭-湯普森偏振器在分析儀（檢偏器）（檢偏器）應(yīng)用中的性能對(duì)比。(a) 分析儀（檢偏器）（檢偏器）通光態(tài)紫外透過
 

圖 2a 比較了標(biāo)準(zhǔn)方解石 GTh 分析儀（檢偏器）與 Moxtek UVD260 在紫外波段的通光態(tài)透過率，圖 2b 則比較了二者測(cè)量參考偏振器消光態(tài)透過率時(shí)的性能。GTh 分析儀（檢偏器）在紫外光通量上急劇下降，導(dǎo)致信噪比較差；而 UVD260 采用熔融石英制造，在深紫外區(qū)域仍保持優(yōu)異的性能。

紅外性能

格蘭-泰勒（GT）和格蘭-湯普森（GTh）偏振器由兩個(gè)雙折射棱鏡組成，它們的斜面對(duì)角面之間要么以微小空氣隙隔開（GT），要么填充光學(xué)膠（GTh）。入射光束分離成正交偏振態(tài)依賴于全內(nèi)反射，因此對(duì)光束準(zhǔn)直和入射角度有嚴(yán)格要求。由于紅外波段折射率通常會(huì)降低，這導(dǎo)致 GT 和 GTh 設(shè)計(jì)允許偏離法線入射的角度減小。在光譜應(yīng)用中，光束準(zhǔn)直通常遠(yuǎn)非理想，因此不希望的偏振態(tài)會(huì)產(chǎn)生明顯泄漏。

GT 和 GTh 偏振器通常只能容忍幾度的入射角偏差或較小的視場(chǎng)（錐角），超出后性能就會(huì)下降；而線柵偏振器的性能對(duì)角度和波長相對(duì)不敏感，且實(shí)際上沒有不希望的偏振態(tài)的紅外泄漏。ProFlux UVD 設(shè)計(jì)可以輕松適應(yīng)法線入射 ±20° 的變化，性能變化極小。這對(duì)應(yīng) 40° 的視場(chǎng)角，在使用準(zhǔn)直性差的光源時(shí)能夠顯著提高光利用率，并簡(jiǎn)化對(duì)準(zhǔn)方面的顧慮。
 

圖 3 UVD260 與方解石格蘭-湯普森分析儀（檢偏器）（檢偏器）的紅外性能對(duì)比。(a) 使用 GTh（---）和 UVD260（---）分析儀（檢偏器）（檢偏器）對(duì)同一參考偏振器的消光態(tài)透過率測(cè)量。插圖為放大后遠(yuǎn)離吸收共振的標(biāo)尺。(b) GTh（---）和 UVD260（---）的通光態(tài)透過率。
 

圖 3b 給出了 GTh 和 UVD260 偏振器在通光態(tài)下的透過率。在 GTh 消光態(tài)測(cè)量中導(dǎo)致紅外泄漏峰的相同吸收特征，在通光態(tài)中同樣明顯。吸濕性方解石材料中約 2725 nm 處的水吸收線，在 GTh 中比在由鋁和紅外級(jí)熔融石英組成的 UVD260 中強(qiáng)得多。為了增強(qiáng)短波紅外的光通量和信噪比，UVD260 顯然更好。
 

圖 4 ProFlux UVD260（—）與格蘭-湯普森（—）偏振器的通光態(tài)/消光態(tài)透過率對(duì)比度。
 

環(huán)境與外形尺寸因素

UVD260 采用與 Moxtek 標(biāo)準(zhǔn)可見光譜線柵偏振器產(chǎn)品類似的材料，后者以在高溫高濕投影顯示應(yīng)用中優(yōu)異的持續(xù)性能而著稱。此外，UVD 系列的埋入式納米線設(shè)計(jì)有助于防止操作損壞和環(huán)境污染。方解石 GT 和 GTh 偏振器的紅外性能會(huì)因吸濕而隨時(shí)間明顯下降，而 UVD 系列線柵偏振器制造在非吸濕性熔融石英上，在潮濕環(huán)境中不會(huì)出現(xiàn)明顯的性能退化。

由于全內(nèi)反射工作原理和大臨界角，GT 和 GTh 偏振器的長度與通光孔徑之比很大。隨著孔徑尺寸增大，這種長寬比要求使得基于棱鏡的設(shè)計(jì)在光學(xué)系統(tǒng)中占據(jù)比平面線柵偏振器配置（其厚度固定，通常為 2.1 mm，由基底和墊片厚度決定）大得多的空間。對(duì)于 UVD 系列線柵偏振器，無論孔徑尺寸如何，沿光束傳播方向所需的物理空間保持不變。副作用是，對(duì)于較大孔徑的 GT 和 GTh 設(shè)計(jì)，棱鏡長度也會(huì)增加，由于吸收和散射，這會(huì)降低紫外和短波紅外區(qū)域的性能。ProFlux UVD 系列偏振器能夠用一個(gè)部件覆蓋從深紫外到短波紅外的大多數(shù)光譜儀的整個(gè)光譜范圍，并且在使用有限尺寸寬帶光源時(shí)無需丟棄來自較大視場(chǎng)角的光線。

對(duì)于 GT 和 GTh 偏振器設(shè)計(jì)，為了消除內(nèi)部反射光束，棱鏡側(cè)面要么有吸收涂層，要么高度拋光并封裝在吸收性外殼中。然而仍可能發(fā)生菲涅耳反射，導(dǎo)致不希望的偏振態(tài)從偏振器出射面泄漏。ProFlux UVD 系列偏振器通過各向異性吸收和反射機(jī)制在線柵表面分離光束，不依賴于雙折射和全內(nèi)反射。這消除了 GT 和 GTh 產(chǎn)品固有的長光程長度和吸收表面/外殼要求，以及不希望的 IR 性能隨波長的變化。表 1 總結(jié)了線柵與基于格蘭棱鏡的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)、外形尺寸和環(huán)境方面的差異。
 

結(jié)論

與格蘭-泰勒和格蘭-湯普森設(shè)計(jì)相比，ProFlux UVD 系列偏振器為偏振敏感的光譜應(yīng)用提供了更好的寬帶性能。熔融石英基底上的鋁納米線柵設(shè)計(jì)是深亞波長的，提供出色的對(duì)比度和通光態(tài)透過率，從紫外到短波紅外的性能變化極小。寬視場(chǎng)角和節(jié)省空間的外形尺寸在簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)，提高了性能和效率。典型的寬帶性能曲線見圖 5。

圖 5 ProFlux UVD 系列典型寬帶性能曲線：通光態(tài)透過率（Tp）和對(duì)比度（通光態(tài)/消光態(tài)透過率）