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什么是偏振分光棱镜(PBS)

作者:时间:2020-05-21 15:05:23449 次浏览

偏振分光棱镜(PBS)是一种将一束入射光分成传播方向互相垂直的两束光的光学元件。但与一般的光学分束元件不同,由它分出的两束光之间有特殊的关系,即:它们都是线偏振光,且偏振方向互相垂直。如下图所示。

偏振分光棱镜

偏振分光棱镜PBS

提问:

Q1:一束自然光入射到偏振分光棱镜PBS上,请问透射光和反射光的偏振方向分别是什么?

Q2:如果一束正交线偏振(P,S)光入射,请问透射光和反射光的状态?

这里面涉及了几个物理光学概念,容易使人混淆,今天好好梳理一下:(1)偏振,(2)双折射,(3)晶体

(1)偏振 polarization

偏振是光的一种固有属性,偏振态是光的一个独立参数。如果要完整的描述一个/束光的性质,除了频率/波长,振幅/强度,传播方向之外,还需要对它的偏振态进行描述。所谓【偏振光】,是指这光的电矢量(E)的振动方向具有一定的规律。偏振状态可分为:线偏振,椭圆偏振(特殊情况下是圆偏振)。例如,对于线偏振光,它的电矢量只沿着一个方向做往复振动。而【非偏振光】,如自然光,它们的电矢量的振动是杂乱无章的,既不朝着某些相同的方向,振动时又不具有固定的时间对应关系(没有固定相位),因此,它们的振动是随机的,没有固定规律的。在【偏振光】的概念里,为了描述振动方向的相互关系,对于最基本的线偏振光(通过它可以组合成椭偏光,当然反之也可以),我们通常用P光和S光来区分。其中,P光表示振动方向与入射面平行的线偏振光,S光表示振动方向与入射面垂直的线偏振光。

以上是偏振的基本概念。

(2)双折射 briefringence

【双折射】是一种光学现象。这种现象是:当一束光入射到某些材料里时(通常是”透明“的晶体),一束入射光将会变成两束!神奇吧。这种可产生双折射的晶体称为【双折射晶体】。那么,问题在于:是什么机制导致一束光可以分为两束?而且,这分出的两束光之间有没有什么特殊关系?

【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镜。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镜PBS上,请问透射光和反射光的偏振方向分别是什么?

A1:透射光的偏振方向为水平方向(P方向),反射光的偏振方向为竖直方向(S方向)。

Q2:如果一束正交线偏振(P,S)光入射,请问透射光和反射光的状态?

A2:答案同上。