【常用光學(xué)元器件】選偏器件的原理和選擇
摘要：在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，選偏元件（Polarizer）的地位至關(guān)重要。在傳統(tǒng)的激光放大領(lǐng)域，選偏元件可以用來配合法拉第旋光器組成光隔離系統(tǒng)，也可以用來配合電光晶體組成固態(tài)激光器的電光開關(guān)；在新興的泵浦探測(cè)領(lǐng)域，選偏元件可以用來檢測(cè)被探測(cè)樣品對(duì)信號(hào)光偏振態(tài)的改變，進(jìn)而開展磁性材料超快動(dòng)力學(xué)研究等等。
一、選偏元件的原理和種類
選偏元件有吸收型和分光型兩種[1]。吸收型的元件對(duì)于某一偏振方向的光吸收很少，而對(duì)垂直于該偏振方向的光吸收很強(qiáng)，進(jìn)而使得透過該元件的光是一種單一偏振方向的光；分光型元件是最常用的選偏元件，其工作原理一般是基于雙折射效應(yīng)或偏振分光薄膜來實(shí)現(xiàn)的，常見的有格蘭棱鏡（Glan prism）、薄膜偏振片（thin film polarizer, TFP）和偏振分光器（polarization beam splitter , PBS）。前者是基于雙折射效應(yīng)，后兩者是基于偏振分光薄膜，接下來做一一介紹。
1、格蘭棱鏡（Glan prism）
格蘭棱鏡由兩塊相同的直角棱鏡組成（材料為方解石等雙折射晶體），如圖所示。兩個(gè)棱鏡粘合起來，中間有空氣隙。晶體材料的光軸方向平行于紙面，入射激光的偏振方向與光軸同向的為e光（extraordinary ray, e-ray），與光軸垂直的為o光（ordinary ray, o-ray）。兩束光在晶體中的折射率不一樣，在空氣隙處的表面，o光產(chǎn)生全反射（入射角為o光的布儒斯特角），很少部分的e光也產(chǎn)生反射，絕大部分的e光透射經(jīng)過空氣隙和另一部分晶體后輸出。
圖1 格蘭棱鏡（Glan prism）
2. 薄膜偏振片（Thin film polarizer, TFP）
薄膜偏振片是在玻璃基底上鍍制基于干涉效應(yīng)的膜系而成。一般有布儒斯特角放置的和45度放置的兩種類型。前者對(duì)于透射光的反射很少，但由于布儒斯特角放置的緣故，如果使用其反射光，一般需要使用一對(duì)TFP來將s偏振光選擇出來并調(diào)為與入射光平行。
45度放置的TFP便于直接使用反射的s偏振光（常規(guī)的反射鏡的入射角是45度或0度），對(duì)于透射光有一定比例的反射，需要在后表面鍍?cè)鐾改硖岣邔?duì)透射光的透過率，且前表面的膜系設(shè)計(jì)更加復(fù)雜[2]，成本比布儒斯特角放置的TFP要高。
圖2 薄膜偏振片（Thin film polarizer, TFP）
3. 偏振分光器（Polarization beam splitter , PBS）
偏振分光器的原理與TFP類似，使用兩塊直角棱鏡粘合而成，內(nèi)反射面鍍特殊膜系，將s偏振和p偏振分離開。
圖3 偏振分光器（Polarization beam splitter , PBS）
二、選偏元件的選擇
使用選偏元件時(shí)，最重要的參數(shù)是消光比。消光比是指選偏元件對(duì)于p偏振光的透過率和對(duì)于s偏振光的透過率之比（不同商家對(duì)“消光比”的定義會(huì)有所不同，選購之前需要咨詢清楚商家的定義方式）。由于不同的場(chǎng)合使用需求不同，在此我們將選偏元件的使用方式定義為透射式和反射式，即最終需要使用的光是透射光或反射光。實(shí)際使用時(shí)，格蘭棱鏡的消光比比較高，一般能夠達(dá)到消光比Tp/Ts > 1000:1，且一般用作透射式（其對(duì)p偏振會(huì)有少部分反射，因而反射式的消光比不高）；而對(duì)于TFP而言，可以用作透射式或者反射式，一般能夠?qū)崿F(xiàn)消光比大于200:1，PBS也是類似。
格蘭棱鏡和布儒斯特角放置的TFP可以工作在寬光譜的條件下，常用于寬帶飛秒激光的領(lǐng)域（格蘭棱鏡作為塊材料會(huì)引入一定的色散量，在對(duì)飛秒激光進(jìn)行選偏時(shí)需要考慮其對(duì)飛秒脈沖脈寬的影響）。例如，格蘭棱鏡可以在700-900 nm的范圍內(nèi)保持1000:1的消光比；布儒斯特角放置的TFP可以在40 nm的帶寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)200:1的消光比[3]。而PBS和設(shè)計(jì)為45度放置的TFP則只能在較窄光譜的范圍內(nèi)保持200:1的消光比。
格蘭棱鏡和TFP的損傷閾值較高，使用1064 nm的納秒激光做測(cè)試，其損傷閾值可達(dá)5 J/cm2以上；而PBS的損傷閾值比較低，為1 J/cm2。由于塊狀材料的尺寸受限，TFP更適合使用于大光束口徑的高能激光系統(tǒng)中。
此外，使用TFP和PBS時(shí)還有一點(diǎn)要特別注意。使用TFP時(shí)會(huì)有鬼像問題（Ghost reflections），即由于后表面的反射引起的在主光束旁邊有一束平行的微弱光（主要是用于反射式時(shí)會(huì)出現(xiàn)該問題），在激光放大中要消除該光束的影響；而PBS也會(huì)有該問題，但是程度會(huì)弱一些。
三、參考資料
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Polarizer#Thin_film_polarizers
[2] https://www.rp-photonics.com/thin_film_polarizers.html?s=ak
[3] http://eksmaoptics.com/femtoline-components/femtoline-polarizing-optics/femtoline-thin-film-laser-polarizers-round/
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