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什么是偏振分光棱鏡(PBS)

作者:时间:2020-05-21 15:05:2339 次浏览

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麽?

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?

這裏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。偏振狀態可分爲: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複振動。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】的概念裏,爲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)双折射 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裏時(通常是”透明“的晶體),一束入射光將會變成兩束!神奇吧。這種可産生雙折射的晶體稱爲【雙折射晶體】。那麽,問題在于:是什麽機制導致一束光可以分爲兩束?而且,這分出的兩束光之間有沒有什麽特殊關系?

【先回答第一个问题】。实际上,这种现象是光波与晶体之间相互作用的结果,由于光的传播可依照电磁波的传播规律来描述,因此,双折射产生机制可以用麦克斯韦方程组(Maxwell equation)结合晶体的介电常数来解释。从最简单的情况来分析:平面波入射到各项异性的晶体中(这些概念将在下一个小结说明),可以描述成菲涅尔公式/方程的形式,这个公式的形式类似于一个椭球的数学方程(当然,物理意义不同),通常称为【折射率椭球】或【波法线椭球】等。如果我们对这个方程进行数学求解,可以同时得到两个解(这对于二次方程来说是很正常的事情)。这两个解在物理上就对应了光的两个传播方向(还有特殊情况下有无数个解,这对应物理上的圆锥折射,此处不表),这意味着:一束光与晶体相互作用之后,确实将产生沿不同方向传播的两束光!!!

【再回答第二个问题】。这两束光之间是有特定关系的:它们都是线偏振光,且偏振方向互相垂直。它们的传播方向与如下条件有关:入射光的方向,晶体的光轴方向等。为了更清楚地描述,通常将这两束光分别称为O光(ordinary light)和E光(extraordinary light),其中O光服从一般的折射规律,它的波面是一个圆形,即沿各个方向的传播速度均相同;而E光不服从折射规律,它的波面是一个椭圆(对单轴晶体而言(双折射晶体的一种,下节说明)),即沿不同方向具有不同的传播速度。它们的传播方向可以根据传播波面的情形具体确定。现在关心的问题是:O光和E光的振动方向分别如何?根据菲涅尔波法线方程可知,对于单轴晶体,O光的振动方向恒垂直于主平面(光的波法线(传播方向)与光轴组成的平面),E光的振动方向恒在主平面内。

(3)晶体 crystal

【晶体】是一个比较广泛的概念,此处只按照光学性质对其进行分类。如果按照晶体对光的偏振状态的影响,可将晶体分为两大类3小类:各项同性,各项异性(单轴晶体,双轴晶体)。其中,各项同性晶体不产生双折射效应,各项异性晶体会产生双折射效应。在各项异性晶体中,有某些特殊的方向,当光沿这些方向传播时,同样不会产生双折射效应。如果一个晶体只有一个这样的方向,称为【单轴晶体】;如果有两个这样的方向,称为【双轴晶体】。利用晶体的这些性质,即可制造出偏振分光棱鏡。但PBS的构成也有多种方法,包括反射型、双折射型等。通常情况下,可回答开始提出的两个问题:

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麽?

A1:透射光的偏振方向爲水平方向(P方向),反射光的偏振方向爲豎直方向(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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