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      什么是偏振分光棱鏡(PBS)

      作者:時間:2020-05-21 15:05:23360 次瀏覽

      偏振分光棱鏡(PBS)是一種將一束入射光分成傳播方向互相垂直的兩束光的光學元件。但與一般的光學分束元件不同,由它分出的兩束光之間有特殊的關系,即:它們都是線偏振光,且偏振方向互相垂直。如下圖所示。

      偏振分光棱鏡

      偏振分光棱鏡PBS

      提問:

      Q1:一束自然光入射到偏振分光棱鏡PBS上,請問透射光和反射光的偏振方向分別是什么?

      Q2:如果一束正交線偏振(P,S)光入射,請問透射光和反射光的狀態?

      這里面涉及了幾個物理光學概念,容易使人混淆,今天好好梳理一下:(1)偏振,(2)雙折射,(3)晶體

      (1)偏振 polarization

      偏振是光的一種固有屬性,偏振態是光的一個獨立參數。如果要完整的描述一個/束光的性質,除了頻率/波長,振幅/強度,傳播方向之外,還需要對它的偏振態進行描述。所謂【偏振光】,是指這光的電矢量(E)的振動方向具有一定的規律。偏振狀態可分為:線偏振,橢圓偏振(特殊情況下是圓偏振)。例如,對于線偏振光,它的電矢量只沿著一個方向做往復振動。而【非偏振光】,如自然光,它們的電矢量的振動是雜亂無章的,既不朝著某些相同的方向,振動時又不具有固定的時間對應關系(沒有固定相位),因此,它們的振動是隨機的,沒有固定規律的。在【偏振光】的概念里,為了描述振動方向的相互關系,對于最基本的線偏振光(通過它可以組合成橢偏光,當然反之也可以),我們通常用P光和S光來區分。其中,P光表示振動方向與入射面平行的線偏振光,S光表示振動方向與入射面垂直的線偏振光。

      以上是偏振的基本概念。

      (2)雙折射 briefringence

      【雙折射】是一種光學現象。這種現象是:當一束光入射到某些材料里時(通常是”透明“的晶體),一束入射光將會變成兩束!神奇吧。這種可產生雙折射的晶體稱為【雙折射晶體】。那么,問題在于:是什么機制導致一束光可以分為兩束?而且,這分出的兩束光之間有沒有什么特殊關系?

      【先回答第一個問題】。實際上,這種現象是光波與晶體之間相互作用的結果,由于光的傳播可依照電磁波的傳播規律來描述,因此,雙折射產生機制可以用麥克斯韋方程組(Maxwell equation)結合晶體的介電常數來解釋。從最簡單的情況來分析:平面波入射到各項異性的晶體中(這些概念將在下一個小結說明),可以描述成菲涅爾公式/方程的形式,這個公式的形式類似于一個橢球的數學方程(當然,物理意義不同),通常稱為【折射率橢球】或【波法線橢球】等。如果我們對這個方程進行數學求解,可以同時得到兩個解(這對于二次方程來說是很正常的事情)。這兩個解在物理上就對應了光的兩個傳播方向(還有特殊情況下有無數個解,這對應物理上的圓錐折射,此處不表),這意味著:一束光與晶體相互作用之后,確實將產生沿不同方向傳播的兩束光?。?!

      【再回答第二個問題】。這兩束光之間是有特定關系的:它們都是線偏振光,且偏振方向互相垂直。它們的傳播方向與如下條件有關:入射光的方向,晶體的光軸方向等。為了更清楚地描述,通常將這兩束光分別稱為O光(ordinary light)和E光(extraordinary light),其中O光服從一般的折射規律,它的波面是一個圓形,即沿各個方向的傳播速度均相同;而E光不服從折射規律,它的波面是一個橢圓(對單軸晶體而言(雙折射晶體的一種,下節說明)),即沿不同方向具有不同的傳播速度。它們的傳播方向可以根據傳播波面的情形具體確定?,F在關心的問題是:O光和E光的振動方向分別如何?根據菲涅爾波法線方程可知,對于單軸晶體,O光的振動方向恒垂直于主平面(光的波法線(傳播方向)與光軸組成的平面),E光的振動方向恒在主平面內。

      (3)晶體 crystal

      【晶體】是一個比較廣泛的概念,此處只按照光學性質對其進行分類。如果按照晶體對光的偏振狀態的影響,可將晶體分為兩大類3小類:各項同性,各項異性(單軸晶體,雙軸晶體)。其中,各項同性晶體不產生雙折射效應,各項異性晶體會產生雙折射效應。在各項異性晶體中,有某些特殊的方向,當光沿這些方向傳播時,同樣不會產生雙折射效應。如果一個晶體只有一個這樣的方向,稱為【單軸晶體】;如果有兩個這樣的方向,稱為【雙軸晶體】。利用晶體的這些性質,即可制造出偏振分光棱鏡。但PBS的構成也有多種方法,包括反射型、雙折射型等。通常情況下,可回答開始提出的兩個問題:

      Q1:一束自然光入射到偏振分光棱鏡PBS上,請問透射光和反射光的偏振方向分別是什么?

      A1:透射光的偏振方向為水平方向(P方向),反射光的偏振方向為豎直方向(S方向)。

      Q2:如果一束正交線偏振(P,S)光入射,請問透射光和反射光的狀態?

      A2:答案同上。

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