[论文解读] Birefringence of interferential mirrors at normal incidence Experimental and computational study

Franck Bielsa, Arnaud Dupays+4 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Jul 23, 2009

Geophysics and Sensor Technology参考文献 20被引用 15

一句话总结

本研究结合实验测量与计算建模，探究了高反射率干涉镜在正入射条件下的本征双折射特性。研究发现，每层反射的相位延迟随镜面反射率提高（即层数增加）而减小；计算模拟仅在双折射效应局限于最靠近基底的层时才能重现该趋势，表明该区域是该效应的主要来源。

ABSTRACT

In this paper we present a review of the existing data on interferential mirror birefringence. We also report new measurements of two sets of mirrors that confirm that mirror phase retardation per reflection decreases when mirror reflectivity increases. We finally developed a computational code to calculate the expected phase retardation per reflection as a function of the total number of layers constituting the mirror. Different cases have been studied and we have compared computational results with the trend of the experimental data. Our study indicates that the origin of the mirror intrinsic birefringence can be ascribed to the reflecting layers close to the substrate.

研究动机与目标

• 理解高反射率干涉镜在精密光学腔中应用时本征双折射的起源。
• 解决实验数据中观察到的镜面反射率提高而每层反射相位延迟减小之间的矛盾。
• 确定双折射是来自整个多层堆栈，还是局限于特定层。
• 开发能够重现实验趋势并识别导致该现象的物理结构的计算模型。
• 通过识别导致相位延迟的关键层，为镜面制造商提供降低双折射的指导。

提出的方法

• 利用法布里-珀罗腔和多程腔对多组反射率不同的镜面进行实验测量，获取每层反射的相位延迟数据。
• 整理并回顾1982年至2007年间发表的关于镜面双折射的研究数据，重点关注反射率与相位延迟的变化趋势。
• 基于传输矩阵方法开发计算代码，模拟具有受控双折射特性的多层堆栈的光学响应。
• 通过为单个层分配双折射参数，对从均匀分布到随机分布的多种配置进行建模，分析相位延迟特性。
• 通过正交电场振幅比计算诱导椭圆度，并提取每层反射的有效相位延迟。
• 通过调整双折射参数使模拟结果与实验数据中(1−R)与相位延迟的关系趋势相匹配，从而验证模拟结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管层数增加应增强双折射效应，为何随着镜面反射率提高，每层反射的相位延迟反而减小？
• RQ2 干涉镜的本征双折射在多层堆栈中是否均匀分布，还是局限于特定区域？
• RQ3 计算模型能否重现实验中观察到的反射率与相位延迟之间的反相关关系？
• RQ4 多层结构中双折射的何种物理分布配置最能解释实验数据？
• RQ5 双折射的来源是顶层、中间层，还是紧邻基底的层？

主要发现

• 来自多个研究及两组新镜面的实验数据证实，当(1−R)从10⁻²降至10⁻⁵时，每层反射的相位延迟降低约三个数量级。
• 无论来自不同制造商或实验装置，相位延迟随反射率提高而减小的趋势均保持一致。
• 计算模拟表明，仅当双折射局限于紧邻基底的层时，才能重现实验趋势。
• 当双折射在所有层中均匀或随机分布时，模拟得到的相位延迟随层数增加而上升，与实验观察相矛盾。
• 当双折射被限制在最靠近基底的高折射率层（即基底后第一层）且δnH = 0.13时，模型能良好拟合实验数据，表明该层是主要贡献源。
• 本研究结论为：本征镜面双折射的起因主要位于最靠近基底的反射层，而非整个多层堆栈。