偏振分光棱鏡（PBS）是一（yī）種（zhǒng）將一束入射光分成傳播（bō）方向互相垂直的（de）兩束光的光學元件。但（dàn）與一般的光學分束元（yuán）件不同，由它分出的兩束光之間有特殊的關係，即：它們都是線偏振光，且偏振方向互相垂直（zhí）。如下圖所示。

 

提問：

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

Q2：如果一束正交線偏振（zhèn）（P，S）光入（rù）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，容易（yì）使人混淆，今天好好梳理一下：（1）偏振，（2）雙折射，（3）晶體

 

（1）偏（piān）振 polarization

偏振是（shì）光的一種（zhǒng）固有（yǒu）屬性，偏振態是光的一（yī）個獨立參數。如果要完（wán）整（zhěng）的描述一個/束光的（de）性質，除了頻率/波長，振幅/強度，傳播方向之外，還需要對它的偏振態進行描述。所謂【偏振光】，是指這光的（de）電矢（shǐ）量（E）的（de）振動（dòng）方向具有一定的規律。偏（piān）振狀態可分為：線偏振，橢圓偏振（特殊情況下（xià）是圓偏（piān）振）。例如，對於線偏振光，它的（de）電矢量（liàng）隻沿著一個方向做往複振（zhèn）動。而【非偏振光】，如自然光，它們的電矢量的振（zhèn）動是雜亂無章的，既不朝（cháo）著某些相同的（de）方向，振動時又不具有固定的時（shí）間對（duì）應關係（沒有固定（dìng）相位），因此，它們的振動是隨機的，沒（méi）有固定規律（lǜ）的。在【偏振光（guāng）】的概念裏，為了描述振動方向（xiàng）的相互關係，對於最基本的線偏振光（通（tōng）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（qū）分。其（qí）中，P光表示振動方向與（yǔ）入射麵（miàn）平行的線偏振光（guāng），S光表示振動方向（xiàng）與入（rù）射麵（miàn）垂直的線偏振光。

以上是（shì）偏振的基本概（gài）念。

 

（2）雙折射 briefringence

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

【先回（huí）答第（dì）一個問題】。實際上，這種現象是光（guāng）波與晶體之（zhī）間相互作用的結果，由於（yú）光的傳播可依照電磁波的傳播（bō）規律來描述，因此，雙折射產生機（jī）製可以用麥克斯韋方程組（Maxwell equation）結合晶體的（de）介（jiè）電常數（shù）來解釋。從最簡單的情況來分析：平麵（miàn）波入射到各項異（yì）性的晶體中（這些概念將在下一（yī）個小結說明（míng）），可以描述成菲涅爾公式/方程（chéng）的形式，這個公式的形式類似於一個橢球的數學方程（當然，物理意義不同），通常稱為【折射率（lǜ）橢球】或【波法線橢球】等。如果我們對這個方程進行數學求解，可以同時（shí）得到兩個解（jiě）（這對於二次方程來（lái）說是很正常的事情）。這兩個解在物理（lǐ）上就對（duì）應（yīng）了光的（de）兩個傳播方向（xiàng）（還有（yǒu）特殊情況下有無（wú）數個解，這對應物理上的圓（yuán）錐折（shé）射，此處不（bú）表），這意味（wèi）著：一束光與晶體相互作用（yòng）之後（hòu），確實將產生沿不同方向（xiàng）傳播的兩束光！！！

【再回答第二個問題】。這兩束（shù）光之間是有特定關係的：它們都是線偏振光，且偏振方向互相垂（chuí）直。它們的傳播方向與如下條件有關：入射光的方向，晶體的光軸方向等。為了更清楚（chǔ）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光服從一般的折射規律，它的（de）波麵是一個（gè）圓形，即沿各個方向的傳播速度（dù）均相同；而E光不服從折射規律（lǜ），它的波麵是一個橢圓（對單軸晶體而言（雙折射晶（jīng）體（tǐ）的一種，下節說明）），即沿不同（tóng）方向具有不同的傳播速度。它（tā）們的傳播方向可以根（gēn）據傳播波（bō）麵的情形（xíng）具（jù）體確定。現在關心（xīn）的（de）問題是：O光和E光的（de）振動（dòng）方向分（fèn）別如何？根據菲涅（niè）爾波法線方程可知，對於單軸晶體，O光的振動（dòng）方向恒（héng）垂直於主平麵（光的波法線（傳播方向）與光（guāng）軸組成的平麵），E光的振動方向恒在主平（píng）麵內。

 

（3）晶體 crystal

【晶體】是（shì）一個比較廣泛的概念，此處（chù）隻按照光學性質對其進行分類。如果按照晶體對光的偏振狀態的影響，可將晶體分為兩大類3小類：各項（xiàng）同性，各項異性（單（dān）軸晶體（tǐ），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應。在各項異性晶（jīng）體中，有某些特殊的方向，當光沿這（zhè）些方向傳播時，同樣不會產生（shēng）雙（shuāng）折射效應。如果一個晶體隻有一個這樣的方向，稱為【單軸晶體】；如果有兩個這樣（yàng）的方向，稱為【雙軸晶體（tǐ）】。利用晶體的這些性（xìng）質，即可製造出偏振分光棱鏡。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（huí）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，請問透射光和反射光的（de）偏振方向分別是什麽？

A1：透射光的（de）偏振方向為水平方向（P方向），反（fǎn）射光的偏振方向為豎直方向（S方向）。

Q2：如果一束正（zhèng）交線偏振（P，S）光入射，請問透射光和反射光的狀（zhuàng）態？

A2：答案同上。