MKS技术说明之偏振光学

▍偏振光学

要实现光学系统和光学元件的最佳性能，对光束偏振态的精确控制是必须的。不同偏振态对应的反射率插入损耗和分束比等特性也是不同的。相对光的其他特性，偏振性也很重要，因为可借助偏振性来传输信和进行灵敏度测量。即使光强度恒定时，也可以借助光束的偏振状态来传递信息。通过解调光束偏振态可以揭示光与物质相互作用（磁性、化学性、机械性）后如何被调制的，根据这种偏振态的变化来设计传感器和测量设备。鉴于此， 能够过滤、修改和表征光源偏振态的光学元件是有价值的。利用这些元件中材料的反射、吸收和透射特性，可以实现同样的偏振控制。下面讨论实现偏振控制的物理现象以及利用偏振控制的关键元件。

图 1: 线偏振波的描述（左）以及线偏振光的标准符号。

▍偏振

如图1 所示，光波的电场振动方向垂直于传播方向。由于电场是一个矢量，可以用具有大小（长度）和方向的箭头表示。这个方向就表示光的偏振方向。基本偏振态包括三种：线偏振，圆偏振和椭圆偏振。 这三种偏振术语描述了电场在空间中传播时，尖端描绘出的路径。图1 所示为线偏振光的时间快照，虽然电场方向不同，但都被限制在一个平面内。因此，在z轴上的一个固定点，随时间的变化，箭头尖端会沿着一条线上下摆动， 这条线相对于光轴的角度表示该线偏振光的偏振态。对于圆偏振光，电场矢量尖端形成螺旋轨迹，对于z 方向上 的固定点，矢量会随时间旋转，就像手表上的秒针一样。圆偏振光可以是左旋或者右旋，这取决于旋转的方向是 顺时针还是逆时针旋转。

椭圆偏振是最普遍的偏振情况，它与圆偏振相同，但是它的长轴和短轴大小不同（对于圆偏振，它们是相等的）。非相干光源，比如灯、LED 或者太阳，通常发射非偏振光，是所有偏振态的随机叠加。而激光器的输出光通常是高度偏振的，也就是说 ，几乎完全由一种线性偏振态组成。可以通过将偏振态分解为正交方向的两个分量， 来简化分析激光的偏振性。表中上半部分的符号表示非偏振、 垂直偏振和水平偏振光，对于图中的图形，垂直方向沿y 轴，水平方向沿x 轴。当指定入射平面时（参见图1 中表的下半部分），偏振分量获得特定的命名，S 偏振是指垂直于平面的分量，而P 偏振是平行于平面的分量。在 该部分的其余图中示出了描述线偏振光的示例。

偏振光与光学材料相互作用的方式可以是选择性过滤相应偏振态或者将入射偏振态转换成另一种偏振态。这种偏振控制依赖于材料的某种光学特性，表现为对不同偏振态的 射光 具有不同响应。具体为对于不同的输入偏振态存在双折射特性，也就是不同的偏振态光具有不同的折射率，即各向异性。这种各向异性影响光的透射和吸收特性，也是如下所述偏振器件和波片的主要实现机制。此外，即使是 各向同性材料（对于不同偏振具有相同折射率）也能够通过反射实现偏振选择。

菲涅耳方程描述了反射率随入射角的变化。对于线偏振光，S 偏振和P 偏振的反射率随 入射角的变化不同。存在一个入射角，其中P 光全部透射，或者呈现零反射，而S 光被部分反射，这个角被称为布儒斯特角（θ B）。这个角度可以根据Snell 定律确定，θ B = arctan（n 2 / n 1）。图2 所示为入射角θ B ≈ 56°时， 光从空气入射到电介质材料表面出现的现象。这种偏振选择性可以用于激光腔中产生强偏振光以及用于输出激光波长的精细调谐。

▍偏振片和波片

偏振片的透射率强烈依赖于入射光的偏振态 。偏振器通常过滤线偏振光，因此理想的偏振器会使一 个偏振分量发生100％透射，同时滤除所有正交分量（见图3）。实际上，会有一部分不希望得到的偏振也会 被透射。测量通过偏振片后目标偏振光的透过率和不希望得到的偏振光的透射率（简单地将偏振器旋转90°）， 这两者透过率之比定义为消光比。消光比值越大表示透射 光中的偏振纯度越高。偏振片和布儒斯特板的区别在于，前者的透射光是高度偏振的，而后 不会（只有反射是 高度偏振的）。

图 3: 偏振片对非偏振光的影响，光通过格兰- 激光方解石偏振器之后被分为P 光和S 光（右）。

偏振器依赖于双折射材料，由于折射率是复数，这些材料可以表现出与偏振相关的吸收和折射。第一种偏振 器是基于入射光的选择性吸收，通常称为二向色偏振器。用于这种各向异性吸收的典型材料是拉伸聚合物 者拉 长银晶体。材料的强吸收轴垂直于所需输出偏振方向，使不希望得到的偏振态被强烈 吸收。还有一种不同类型的偏振器，是基于双折射晶体（比如方解石）的各向异性。根据偏振分量对准的晶体轴，双折射晶体将产生o 光或e 光。这些光经历不同的折射率并且有不同的 全反射临界角，导致一个偏振分量被反射而另一个被透射。将两个方解石棱镜背靠 背地放置形成一个矩形光学元件，最终透射光束的方向将与入射光束相同。根据是否需要高损伤阈值和大接收角， 棱镜之间的间隙可以选择空气或者光学透明的黏合剂。

偏振器用于过滤入射偏振态，增加其纯度，或者分离线偏振光束的正交分量。然而，偏振器不能将输入光的偏振态转换为不同的偏振态。如果要转换偏振态，需要一种被称为波片或者延迟器的光学元件。为了理解 工作 原理，最重要的是要了解任何偏振态（不仅仅是线偏振）都可以分解成正交分量。偏振态之间的差异由正交分量 之间的相位差产生。线偏振具有同相分量，即没有相位差，但是根据其角度θ 会有不同的幅度。圆偏振和椭圆偏 振分量具有π/ 2 或者四分之一波长的相位差（圆偏振不同的分量有相同的幅度，而椭圆偏振不同的分量有不同的 幅度）。因此，为了将一种偏振态转换成另一种偏振态，必须控制两个分量之间的相位差。这可以通过将偏振光 束入射到双折射晶体中来实现，使得o 波或者e 波各自经历不同的相位延迟。波片（ 分之一波片和半波片）如 何将一种偏振态转换成另一种偏振态如图4 所示，图4 右侧所示为偏振转换的一个重要示例。半波片可以将 线偏振光束的角度旋转到任何其他角度，可用于旋转垂直偏振激光束以获得水平偏振。此外，可将波片和偏振器 适当组合形成可变衰减器和隔离器（减小回返光对谐振腔的影响）。