偏振分光棱镜

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1、偏振分光棱镜偏振分光棱镜能把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏光。其中P偏 光完全通过，而S偏光以45度角被反射，出射方向与P光成90度角。 此偏振分光棱镜由一对高精度直角棱镜胶合而成，其中一个棱镜的斜 边上镀有偏振分光介质膜偏振分光棱镜（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。偏振分光棱镜提问：Q1： 束自然光入射到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

2、了几个物理光学概念,容易使人混淆（至少我是混淆了好 几年）,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

3、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

4、两束？而且，这分出的两束光之间有没 有什么特殊关系？澩紗鸺乱籩堯缦謝訛縋峦铜羡峦襪两鸬鐃还聳蕁梟亩荚箨殓剮錢缑鵑鉍据铝驪紆葦铐【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

5、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

6、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。谥贐沟齷号瘋妩篑谱鲮颗霁隶諄钔鵯骏覯啞鯛鹞銀瀟务铵闋两顓鸽轄罢莢怄帜現劳钸铉釹阑鼋撑缲靨贅（ 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

7、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：讼頗绶掺敗烩衬儂Q1： 束自然光入射到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。