偏振分光棱鏡（jìng）（PBS）是一種將一束入射光分成傳播方向互相垂直（zhí）的兩束光的光學元件（jiàn）。但與一般的光學分束元件不同，由它分出的兩束光（guāng）之間有特殊的關係，即（jí）：它們都（dōu）是線偏振光，且偏振方向互相垂直。如下圖所（suǒ）示。

 

提問：

Q1：一束自（zì）然光入射到偏振分光棱鏡PBS上，請問透射光和（hé）反射光的偏振方向分別是什麽？

Q2：如果一束（shù）正交（jiāo）線偏振（P，S）光入射，請問透射光和反射光的狀態（tài）？

 

這裏麵涉及了幾個物理光學概念，容（róng）易使人混（hún）淆，今天好好梳理一下：（1）偏振，（2）雙折射，（3）晶體

 

（1）偏振 polarization

偏振是光的一種（zhǒng）固有屬性，偏（piān）振態是光的一個獨立參數。如果要完整的描述一個/束光的性質，除了（le）頻（pín）率/波（bō）長，振幅/強度，傳播（bō）方向之（zhī）外，還需要對它的偏振態進行描述。所謂【偏（piān）振光】，是指這光的電矢量（E）的振動方向具有一定的規律。偏振狀（zhuàng）態可分為：線（xiàn）偏（piān）振，橢圓偏振（特殊情況下（xià）是圓偏振）。例如，對於線（xiàn）偏振光，它的（de）電矢量隻沿著一個方向做往複振動。而【非偏振光】，如自然光，它們的電矢量的振動是雜亂無章的，既不朝著某些相同的方向，振動時又不具（jù）有固定的時間（jiān）對應關係（沒有固定相位），因此，它們的振動是隨機的（de），沒有固定規律的。在【偏振光】的概念裏，為了描述振動方向的相互關係，對於最基本的線偏振（zhèn）光（通過它可以組合成橢偏光，當然反之也可以），我們通常用P光和S光來區分。其中，P光表示（shì）振動方向（xiàng）與入射麵平行的線偏振光，S光表示振動方向與入射麵垂直的線偏（piān）振光。

以上是偏振的基本概念。

 

（2）雙折（shé）射 briefringence

【雙折射】是一種光學現象。這種現象是：當一束（shù）光入射到某些材料裏時（通常是”透明“的晶體），一束入射光（guāng）將會變成兩束！神奇吧。這種可產生雙折射的晶體稱為【雙（shuāng）折射晶體】。那麽，問題在於：是什麽機製導致一束光可以分為兩束？而且（qiě），這分出的兩束光之間有沒有什麽（me）特殊關係？

【先回答第一個問題】。實際上，這種現象（xiàng）是光波與晶體之間相互作用的結（jié）果（guǒ），由於光（guāng）的（de）傳播可依照電磁波的傳播（bō）規律來描述，因此，雙折射產生（shēng）機製可以用（yòng）麥克斯（sī）韋方程組（Maxwell equation）結合晶體的介電常數來解釋。從最簡單的情況來（lái）分析：平麵波入射到各項異性的晶體中（這（zhè）些概念將在下一個小結說明），可以描（miáo）述成菲涅爾（ěr）公式/方程（chéng）的形式，這個（gè）公式（shì）的形式（shì）類似於一個橢球的數學方程（當然，物理意義不同），通常稱為（wéi）【折射率橢球（qiú）】或【波法線橢球】等。如（rú）果我們（men）對這個方程進行數學求解，可以同時得到兩個解（這對於二次方程來說（shuō）是很正常（cháng）的事情）。這兩個解在物理上就對應了光的兩（liǎng）個傳播方向（還有特殊情況下有無數個解，這對應物理上的圓錐折射（shè），此（cǐ）處不表），這意味著：一束光（guāng）與晶體相互作用（yòng）之後，確實將（jiāng）產生沿不同方向傳播的兩束光！！！

【再回答第二個問題】。這兩（liǎng）束光之間是（shì）有特定關係的：它們都是線偏振光，且偏振方向互（hù）相垂直（zhí）。它們的（de）傳播方向與如下條件有關：入射光的方（fāng）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O光（ordinary light）和E光（extraordinary light），其中O光服（fú）從一般的折射規律，它的波麵是一個（gè）圓形，即沿各個方（fāng）向（xiàng）的傳（chuán）播速度均相同；而E光不服從（cóng）折射規律，它的波麵是一個橢圓（對單軸晶體而言（雙折射晶體的一種（zhǒng），下節說明）），即沿不同方（fāng）向具有不同的傳播速（sù）度。它們（men）的傳播方向可以根（gēn）據傳播（bō）波麵的情形具（jù）體確定。現（xiàn）在關心的問題是：O光和E光的振動方（fāng）向分別如何？根（gēn）據菲涅爾波法（fǎ）線方程（chéng）可知，對於單軸晶體（tǐ），O光的振動方向（xiàng）恒垂直於主平麵（光的波法（fǎ）線（傳播方向（xiàng））與光軸組成的平麵），E光的（de）振動（dòng）方向恒在主平麵內。

 

（3）晶體 crystal

【晶體】是一個比較廣（guǎng）泛的概念，此處（chù）隻按照光學性質對其進行分類（lèi）。如果按照晶體對光的（de）偏振狀態的影響，可將晶體（tǐ）分為兩大類3小類：各項同性，各項異（yì）性（單軸晶體，雙軸晶體）。其中，各項同性晶體不產生雙折射效應，各項異性晶體會產生雙折射效（xiào）應。在各項異性晶體中，有某些特殊的方向，當光沿這些方向傳播時，同樣不會產生雙折射效應。如果一（yī）個晶體隻有一個這樣的方向，稱為【單軸（zhóu）晶體】；如果有兩個這樣的方向，稱為【雙軸晶體】。利用晶體的（de）這些性質，即（jí）可製造（zào）出偏振分光棱鏡（jìng）。但PBS的（de）構成也有多種方法，包括反射型、雙折射（shè）型等。通常情況下，可回答開始提出的兩個問題：

Q1：一束自然光入射到偏振分光棱鏡PBS上，請問（wèn）透射光和反射（shè）光的偏振方向分別是什麽？

A1：透射光的偏振方（fāng）向（xiàng）為（wéi）水平方向（P方向），反射光的偏振方向為豎直方向（S方向）。

Q2：如果一束正交線（xiàn）偏振（P，S）光入射，請問透射光和反射光的狀態？

A2：答案同上。