什么是偏振棱镜?一种从起偏到分束的光学精密元件
在光学系统中,偏振棱镜是实现光偏振态控制的核心元件,广泛应用于激光加工、光学测量、成像技术等领域。根据功能差异,偏振棱镜主要分为偏振起偏棱镜(用于提取单一偏振光)和偏振分束棱镜(用于分离不同偏振态的光)。本文将解析四种典型棱镜的工作原理与特性,揭示其在精密光学中的独特价值。
一、偏振起偏棱镜:纯净偏振光的“过滤器”
1.格兰·激光偏振棱镜(Glan-LaserPrism)
格兰·激光棱镜由两块光轴平行的负单轴晶体(如方解石或α-BBO)胶合而成,胶合面镀有折射率介于晶体寻常光(o光,振动方向垂直光轴)和非寻常光(e光,振动方向平行光轴)之间的涂层。当光垂直入射时,o光与e光在第一块晶体中无偏折传播,但到达胶合面时,o光因从光密介质(\(n_o\))射向光疏介质(\(n\)),当入射角超过临界角时发生全反射,被棱镜侧壁吸收;而e光因折射率匹配,无偏折通过棱镜,输出高纯度线偏振光。
特点:结构紧凑,适用于可见光至红外波段,但胶合层耐功率较低,适合中低功率激光系统。
2.格兰·泰勒偏振棱镜(Glan-TaylorPrism)
格兰·泰勒棱镜的原理与格兰·激光棱镜相似,但摒弃了胶合层,改用空气隙分离两块晶体(边缘夹垫片固定),并在棱镜直角面涂覆吸光涂层。当o光到达分界面时,因空气隙的折射率(\(n=1\))远小于\(n_o\),全反射条件更易满足,反射的o光被吸光层吸收,而e光保持平行出射。
优势:空气隙设计避免了胶合剂的热损伤问题,可承受千瓦级高功率激光,且α-BBO材料在紫外至中红外波段透过率优异,成为高功率激光系统的首选。
二、偏振分束棱镜:偏振光的“分离器”
3.沃拉斯顿偏振棱镜(WollastonPrism)
沃拉斯顿棱镜由两块光轴垂直的负单轴晶体(如方解石)胶合或光胶而成。入射光垂直第一块晶体光轴入射时,o光与e光共线传播但振动方向正交(o光⊥光轴,e光∥光轴)。进入第二块晶体后,因光轴旋转90°,原o光在第二块晶体中变为e光),原e光变为o光。由于,原o光(现e光)折射角减小(向下偏折),原e光(现o光)折射角增大(向上偏折),最终两束光以对称角度分离,偏折角与晶体材料和棱镜底角)相关。
应用:常用于需要分离两束正交偏振光的场景,如光学干涉仪、偏振成像系统。
4.洛匈偏振棱镜(RochonPrism)
洛匈棱镜结构与沃拉斯顿棱镜相似,但第一块晶体的光轴与入射光方向平行,此时o光与e光折射率相同,无偏折共线传播。进入第二块晶体(光轴垂直于第一块)后,原e光(振动方向∥第一块光轴)在第二块晶体中变为o光(振动方向⊥第二块光轴),折射率发生偏折;而原o光(振动方向⊥第一块光轴)在第二块晶体中仍为e光(振动方向∥第二块光轴),折射率为,因方向不变无偏折。最终仅原e光发生单侧偏折,分离角度与波长、材料楔角相关。
特点:入射光与光轴平行时无初始双折射,适合特定角度入射的偏振分束,如激光束的偏振态分析。
三、选型指南:材料与场景的匹配
波长范围:方解石适用于可见光至近红外(400-2300nm),α-BBO则覆盖紫外(190nm)至中红外(3500nm),后者在深紫外光刻中不可或缺。
功率承受:格兰·泰勒的空气隙设计优于胶合结构,适合高功率激光加工(如光纤激光器);沃拉斯顿和洛匈的胶合面需避免强光直接照射。
分束需求:对称分束选沃拉斯顿,单侧偏折选洛匈;起偏场景中,格兰·泰勒的高功率耐受性更优。
偏振棱镜的设计巧妙利用了晶体双折射与全反射原理,通过光轴取向、材料匹配和结构优化,实现了偏振光的高效操控。从激光精密加工到尖端科研仪器,这些“光学魔法师”持续推动着光技术的边界,其创新迭代也将伴随新材料(如新型晶体、超表面涂层)的发展而不断突破。
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