偏振相关光学器件详解通俗版光的偏振本质就是光电场的振动方向。偏振器件分为三大类一类做筛选把不想要的振动方向丢掉一类做改造光子全部保留只改变电场的振动形态还有一类是光学单向阀实现光单向通行。1、普通二向色偏振片塑料偏振片- 多选一输入任意光自然光、椭圆偏振光都可以。功能只保留某一个方向的线偏振光把垂直方向的偏振过滤掉。输出单一方向的线偏振光光强会明显变弱。工作原理可以把它想象成一道栅栏。栅栏缝隙朝哪个方向就只允许和缝隙平行的电场振动穿过去。垂直缝隙的振动不会透过会被材料吸收直接变成热量。 这种器件成本低但缺点很明显大量能量变成热不能用于高功率激光强光下很容易直接烧坏。2、格兰‑泰勒棱镜格兰激光棱镜- 多选二输入任意偏振光束。功能筛选出纯度非常高的线偏振光专门给高功率激光使用。输出高消光比的线偏振光几乎没有杂偏振分量。工作原理核心材料是双折射晶体内部有一层空气缝隙。光束进入晶体立刻拆分成 o 光和 e 光。其中o 光入射到空气界面发生全反射直接向侧面偏折跑掉不会继续向前传播。只有 e 光不受影响直直透射出去。 它不靠吸收损耗光线靠反射把杂偏振送走几乎不产生热量深紫外大功率激光器经常使用。3、PBS 偏振分光棱镜 - 多选二输入任意偏振光。功能一束光拆成两束互相垂直的线偏振光两路光分开走不同方向。输出p 偏振直接向前透射s 偏振发生90 度直角反射。工作原理两块直角棱镜胶合在一起胶合面镀特殊偏振分光膜。不同振动方向的光遇到这层膜命运完全不同。p 偏振的电场振动可以直接穿透膜层继续前进s 偏振的电场振动碰到膜就发生反射45°反射。相当于一个偏振的分岔路口把两种偏振分开。激光器腔内经常用来做偏振选择也可以用来调节输出光功率。4、1/2 半波片180°输入线偏振光。功能旋转线偏振光的振动角度不会损耗光的能量。输出依旧是线偏振光偏振方向发生旋转。入射光偏振和波片快轴夹角为 θ出射偏振就旋转2θ。工作原理一块很薄的双折射晶体薄片晶体光轴平行表面存在快轴和慢轴。线偏振光打上去会自动拆成两个正交的振动分量。一个分量沿着快轴传播跑得更快另一个沿着慢轴跑得更慢。 穿过晶体薄片之后两个分量积累出180° 的相位差。两个振动重新合并整体电场的振动方向就发生偏转。 重点它不会丢掉任何光子只是改变振动方向不属于筛选器件。5、1/4 四分之一波片90°输入线偏振光或者圆偏振光。功能实现线偏振光和圆偏振光互相转换。输出线偏振光以 45° 入射快慢轴输出圆偏振光反过来圆偏振光入射输出线偏振光。角度不是 45°输出就是椭圆偏振光。工作原理同样是双折射薄片快慢轴带来90° 的相位差。 当线偏振光斜 45 度入射分解出来的两个正交振动一个跑得快、一个跑得慢两者相位差90 度。叠加之后电场矢量不再沿直线来回抖动而是不断旋转画出圆形轨迹就变成圆偏振光。 它是光隔离器的核心零部件。6、沃拉斯顿棱镜输入自然光或者线偏振光。功能把一束光拆成两束输出两束带有夹角、互相正交的线偏振光。输出两束向两侧分开的线偏振光。工作原理由两块双折射晶体拼接而成两块晶体的光轴互相垂直。光束进入第一块晶体分解成 o 光、e 光。当光线进入第二块晶体的时候原来的 o 光变成 e 光原来的 e 光变成 o 光折射率发生突变。两种偏振的光同时向两侧发生偏折最终两束光分开一定角度射出。 多用于偏振检测、差分测量场景。7、光隔离器输入任意偏振光。功能光学单向阀门光正向可以顺利通过光路后端反射回来的光会被完全挡住保护激光器不受回光损伤。输出正向几乎无损输出光束反向的反射光被阻断无法原路返回。工作原理由三部分组成起偏器、法拉第旋转片、检偏器。依靠磁光法拉第效应外加磁场让穿过的光偏振面旋转 45°。最关键的特点这个旋转是非互易的。光正向走偏振转 45°刚好匹配检偏器顺利通过。一旦有光反射回来再次穿过法拉第转子偏振会再旋转 45°累计旋转 90°正好被检偏器完全挡住。 普通波片带来的偏振旋转是可逆的而法拉第旋转不可逆这就是隔离器的核心逻辑。8、旋光石英片天然旋光晶体输入线偏振光。功能只旋转线偏振的振动方向不改变偏振形态。输出仍然是线偏振光偏振面转过固定角度。工作原理晶体对左旋圆偏振、右旋圆偏振光传播速度不一样。入射的线偏振可以拆解成左旋、右旋两种圆偏振穿过晶体之后两者产生相位差重新合并之后整体线偏振的方向就发生偏转。 和半波片不一样旋转角度只取决于晶体厚度和入射光摆放的夹角没有关系。9、巴比涅‑索雷尔补偿器输入任意偏振光。功能连续调节 o 光 e 光之间的相位差可以制造出任意一种偏振态。输出可以输出线偏振、椭圆偏振、圆偏振当中任意一种。工作原理由一对可以滑动的双折射劈片组成。手动调节旋钮改变光束穿过晶体的总厚度o 光与 e 光的相位差就可以连续变化。科研实验用来测量波片的相位误差分析未知偏振态。10、保偏光纤输入线偏振光。功能在光纤传输过程当中守住偏振方向不让偏振发生错乱。输出输出依旧保持入射时的线偏振状态。工作原理光纤内部人为制造不对称结构制造出很强的固有双折射形成快轴与慢轴。只要把入射的线偏振对准快慢轴输入光在光纤内部传播时两种偏振分量就不容易互相串扰维持偏振不变。简单总结三类器件筛选类器件普通偏振片、格兰泰勒棱镜、PBS。抛弃一部分偏振会带来能量损失。相位改造器件半波片、1/4 波片、补偿器。全部光子通过只改变电场振动相位不筛选光子。非互易器件光隔离器。普通光学器件光路可逆法拉第旋转不可逆实现单向通行。工程上重要提醒所有波片都是针对特定波长设计266nm 的波片不能直接用在别的波长装夹挤压产生应力会引入额外的双折射直接破坏偏振效果温度变化晶体双折射会漂移高精度光路需要考虑温度影响。