偏振分光棱鏡

1、其中P偏偏振分光棱鏡偏振分光棱鏡能把入射的非偏振光分成兩束垂直的線偏光。光完全通過，而S偏光以45度角被反射，出射方向與P光成90度角。此偏振分光棱鏡由一對(duì)高精度直角棱鏡膠合而成,其中一個(gè)棱鏡的斜邊上鍍有偏振分光介質(zhì)膜偏振分光棱鏡（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(xué)元件。但與一般的光學(xué)分束元件不同，由它分出的兩束光之間有特殊的 關(guān)系，即=它們都是線偏振光，且偏振方向互相垂直。如下圖所示。偏振分光棱鏡提冋:Q1：束自然光入射到PBS±,請(qǐng)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(qǐng)問透射光和反射光的狀 態(tài)?這里面涉及了

2、幾個(gè)物理光學(xué)概念，容易使人混淆（至少我是混淆了好幾年），今天好好梳理一下：（1）偏振，（2）雙折射，（3）晶體（1）偏振Polar ization偏振是光的一種固有屬性，偏振態(tài)是光的一個(gè)獨(dú)立參數(shù)。如果要完整 的描述一個(gè)/束光的性質(zhì)，除了頻率/波長，振幅/強(qiáng)度,傳播方向之外，還需要對(duì)它的偏振態(tài)進(jìn)行描述。所謂【偏振光】,是指這光的電矢量（E）的振動(dòng)方向具有一定的規(guī)律。偏振狀態(tài)可分為：線偏振,橢圓偏振（特殊情況下是圓偏振）。例如，對(duì)于線偏振光,它的電矢量只沿著一個(gè)方向做往復(fù)振動(dòng)。而【非偏振光】，如自然光，它們的電矢量的振動(dòng)是雜亂無章的，既不朝著某些相同的方向，振動(dòng)時(shí)又不具有固定的時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系（沒有念

3、里，為了描述振動(dòng)方向的相互 關(guān)系，對(duì)于最基本的線偏振光（通過它可以組合成橢偏光，當(dāng)然反之也可以）,我們通常用P光和S光來區(qū)分。其中，P光表示振動(dòng)方向與入射面平行的線偏振光，S光表示振動(dòng)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br iefr ingence【雙折射】是一種光學(xué) 現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是=當(dāng)一束光入射到某些材料里時(shí)（通常是透明“的晶 體）,一束入射光將會(huì)變成兩束！神奇吧。這種可產(chǎn)生雙折射的晶體稱為【雙折射晶體】。那么，問題在于=是 什么機(jī)制導(dǎo)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(guān)系？【先回答第一個(gè)問題】。實(shí)際上，這種現(xiàn)象是光波與晶體之間相互作

4、用的結(jié)果，由于光的傳播可依照電磁波的傳播規(guī)律來描述，因此，雙折射產(chǎn)生機(jī)制 可以用麥克斯韋方程組（MaxweI I equation ）結(jié)合晶體 的介電常數(shù)來解 釋。從最簡單的情況來分析：平面波入射到各項(xiàng)異性的晶體中（這些概念 將在下一個(gè)小結(jié)說明）,可以描述成菲涅爾公式/方程的形式，這個(gè)公式的 形式類似于一個(gè)橢球的數(shù)學(xué)方程（當(dāng)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(duì)這個(gè)方程進(jìn)行數(shù)學(xué)求解，可以同 時(shí)得到兩個(gè)解（這對(duì)于二次方 程來說是很正常的事情）。這兩個(gè)解在物理 上就對(duì)應(yīng)了光的兩個(gè)傳播 方向（還有特殊情況下有無數(shù)個(gè)解，這對(duì)應(yīng)物理上 的圓錐折射，此處不表）,這意味

5、著=一束光與晶體相互作用之后，確實(shí)將 產(chǎn)生沿不同方向傳播的兩束光！ ！ ！【再回答第二個(gè)問題】。這兩束光之間是有特定關(guān)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(guān)：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。光(ordinary I ight )和 e 光(extraordinary I ight ),其中 o 光服從 一般的折射規(guī)律，它的波面是一個(gè)圓形，即沿各個(gè)方向的傳播速度均相同;而e光不服從折射規(guī)律，它的波面是一個(gè)橢圓（對(duì)單 軸晶體而言（雙折射晶 體的一種，下節(jié)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(jù)

6、傳播波面的情形具體確定。現(xiàn)在關(guān)心的問題是：0光和e光 的振動(dòng)方向分別如何？根據(jù)菲涅爾波法線方程可知，對(duì)于單軸晶體，0光的 振動(dòng)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(dòng)方向恒在主平面內(nèi)。(3)晶體 crystal【晶體】是一個(gè)比較廣泛的概念,此處只按照光學(xué)性質(zhì)對(duì)其進(jìn)行分類。如果按照晶體對(duì)光的偏振狀態(tài)的影響,可將晶體分為兩大類3小類：各項(xiàng)同性，各項(xiàng)異性（單軸晶體，雙軸晶體）0其中，各項(xiàng)同性晶體 不產(chǎn)生雙折射效應(yīng)，各項(xiàng)異性晶體會(huì)產(chǎn)生雙折射效應(yīng)。在各項(xiàng)異性晶體中，有某些特殊的 方向，當(dāng)光沿這些方向傳播時(shí)，同樣不會(huì)產(chǎn)生雙折射效應(yīng)。如果一個(gè)晶體只 有一個(gè)這樣的方向，稱為【單軸晶體】；如果有兩個(gè)這樣的方向，稱為【雙 軸晶體】。利用晶體的這些性質(zhì)，即可制造出偏振分光棱鏡。但PBS的構(gòu)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(gè)問題:Q1：束自然光入射到PBS±,請(qǐng)問透射