偏振分光棱鏡（jìng）（PBS）是一種將一束入射光分成傳（chuán）播方向互相垂直的兩束光的光學元件。但與一般的光學分束元件不同，由它（tā）分出的兩（liǎng）束光之間有特殊的關（guān）係，即：它們都是（shì）線偏振光，且偏振（zhèn）方向互相垂直。如下圖所示。

 

提（tí）問：

Q1：一束自然光入（rù）射到偏振分光棱（léng）鏡（jìng）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（xiàn）偏振（P，S）光入射，請問透射光和反射光的狀態？

 

這裏麵涉及（jí）了幾個物理光學（xué）概念，容易使人混淆，今天好好（hǎo）梳理（lǐ）一下：（1）偏振，（2）雙折射，（3）晶體（tǐ）

 

（1）偏（piān）振 polarization

偏振是光（guāng）的一種（zhǒng）固有屬性，偏振態是光的一個獨立（lì）參數。如果要（yào）完整的描述一個/束光的性質，除了（le）頻率/波（bō）長，振幅（fú）/強度，傳播（bō）方（fāng）向之外，還需要對它的偏振態進（jìn）行描述（shù）。所謂【偏（piān）振光】，是指這光的電矢量（E）的振（zhèn）動方向具有一定的規律。偏（piān）振狀態可分為（wéi）：線偏振，橢圓偏（piān）振（特殊情況下是圓偏振）。例如，對於線偏振光，它（tā）的電矢量隻沿著一個方向做往複振動。而（ér）【非偏振光】，如自然光，它們的電矢量的（de）振動是雜亂無章的，既不朝著某些相同的方向，振動（dòng）時又不具有固定的時間對應關係（沒有固定相位），因此，它們的振動是隨機的，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（jī）本的線偏振光（guāng）（通過它可以組合成橢偏光，當然反之也可（kě）以），我們（men）通常用P光和S光來區（qū）分。其中，P光表示振動方向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（shàng）是偏（piān）振的基本概念。

 

（2）雙折射 briefringence

【雙（shuāng）折射】是一種光學現象。這種現象是：當一束光入射到（dào）某些（xiē）材料裏時（通常是”透明“的晶體），一束（shù）入射光（guāng）將會變（biàn）成兩束！神奇吧。這種（zhǒng）可產生（shēng）雙折（shé）射的晶體稱為【雙折射晶體】。那麽，問題在於：是什麽機製導（dǎo）致一束光可以分為兩束？而且，這分出（chū）的兩束光之間有沒有什麽特（tè）殊關係？

【先回答第一個問題】。實際上，這種現象是光波與（yǔ）晶體之間相互（hù）作用的結果，由於光的傳播可依（yī）照電磁波的傳播規律來描述，因此，雙折射產（chǎn）生機製可以用麥（mài）克斯韋方（fāng）程組（Maxwell equation）結合晶體的介電常數來解釋。從最簡單的情況來分析：平麵波入射到各項（xiàng）異性的晶體中（這些概念將在下一個（gè）小結說明），可以描（miáo）述成菲涅爾公式/方程的形式，這個公式的形式類似於（yú）一個橢球的數（shù）學方程（當然，物（wù）理意義不同），通常稱為【折（shé）射率橢球】或【波法（fǎ）線橢球】等（děng）。如果我們對這個方（fāng）程進行（háng）數學求解，可以同時得到兩個解（這對於（yú）二次（cì）方程來說是很正常的事情）。這兩個解在物理上就對應（yīng）了光（guāng）的兩個（gè）傳播方向（還有特（tè）殊情況下（xià）有無數個解，這對應物理上的（de）圓錐折射，此處不（bú）表），這意味著（zhe）：一束（shù）光與晶體相互作用之後，確實將產生沿不同方向傳播（bō）的兩束光！！！

【再回答（dá）第二個問題】。這兩束光之間是有特定關係的：它們都是（shì）線偏（piān）振（zhèn）光，且偏振方向互相垂直。它們的傳播方向與如下條件有關：入射光的（de）方（fāng）向，晶體（tǐ）的光軸方向等。為（wéi）了更清楚地描述，通常（cháng）將這兩束光分別稱（chēng）為O光（guāng）（ordinary light）和E光（extraordinary light），其（qí）中O光服從一般的折射（shè）規律，它（tā）的波麵是一個圓形，即沿各個（gè）方向的傳播（bō）速（sù）度均相同；而E光不服從折射規律，它的波麵是一個橢圓（對單軸晶體而言（雙折射晶體的一種，下節說明）），即沿不同方向具有不（bú）同的傳播（bō）速度。它們的傳播方向可以根據傳播波麵的情形具體確定。現在關心的問題是：O光和E光的（de）振（zhèn）動方向分別如何？根（gēn）據菲涅爾波法線方（fāng）程可知，對於單軸晶體，O光的振動方向恒垂直於主平麵（光的（de）波法線（傳（chuán）播方向）與（yǔ）光（guāng）軸組成的平麵），E光的振動方向恒在主平麵內。

 

（3）晶體 crystal

【晶體】是一個比較廣泛（fàn）的概（gài）念，此處隻按照光學性質對其進行分類。如果按照（zhào）晶體對光的偏振狀態的影響，可將晶體分為兩大類3小類：各項同性，各項異性（單軸晶（jīng）體，雙軸晶（jīng）體）。其中，各項同性晶體不產生雙折射效應，各（gè）項異性晶體會產生雙（shuāng）折射效應。在各項異性晶體（tǐ）中，有某（mǒu）些特殊的方向，當光沿這些方向傳播時，同樣不會產（chǎn）生雙折射（shè）效應。如果一個晶體隻有一個這樣（yàng）的方向，稱為【單軸晶（jīng）體】；如（rú）果（guǒ）有（yǒu）兩個這樣的方向，稱為【雙軸晶體】。利用晶體的這些性質，即可製造出偏（piān）振（zhèn）分光棱鏡。但（dàn）PBS的構成也有（yǒu）多種方法，包括反射（shè）型、雙折射型等。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（piān）振分光棱鏡PBS上，請問透射光和（hé）反射光的偏振（zhèn）方（fāng）向分（fèn）別是什（shí）麽？

A1：透射光的偏振方向為水平方向（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（jiāo）線偏振（P，S）光入射，請問透射光和反（fǎn）射光的狀態？

A2：答案同上。