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偏振器件的基本原理及產(chǎn)品介紹

來源:聯(lián)合光科技(北京)有限公司   2025年03月03日 15:27  

偏振器件的基本原理及產(chǎn)品介紹相對比于最常見的幾何光學(xué)成像知識,偏振、雙折射、旋光等物理光學(xué)范疇的概念往往更加晦澀難懂,但在工程技術(shù)中又有著廣泛和重要的應(yīng)用,如激光系統(tǒng)中常用的偏振片、波片、格蘭棱鏡、法拉第旋轉(zhuǎn)器、自由空間隔離器等都是基于物理光學(xué)的原理。本文將為用戶解釋偏振的基本原理,同時介紹法拉第旋轉(zhuǎn)器和自由空間隔離器的工作原理和特點。



偏振基本原理簡介
偏振

      光是一定波段范圍的電磁波,電磁波中電場強度E和磁場強度B的振動方向都與電磁波傳播方向垂直。光波的感光作用和生理作用等主要是由電場強度E引起的,因此,常將E的振動稱為光振動,E的振動方向為光矢量的方向。


偏振器件的基本原理及產(chǎn)品介紹

圖1電磁波振動方向

      就偏振性而言,光一般可分為偏振光、自然光和部分偏振光。光矢量的方向和大小有規(guī)則變化的光稱為偏振光。在傳播過程中,光矢量的方向不變,其大小隨相位變化的光是線偏振光,在垂直于傳播方向的平面上,光矢量端點的軌跡是一直線;圓偏振光在傳播過程中,其矢量的大小不變,方向規(guī)則變化,其端點的軌跡是一個圓;橢圓偏振光的光矢量的大小和方向在傳播過程中均成規(guī)則變化,光矢量端點沿橢圓軌跡轉(zhuǎn)動。


偏振器件的基本原理及產(chǎn)品介紹

圖2 (a)線偏振光        (b)圓偏振光        (c)橢圓偏振光


      自然光可以看成是在一切可能方位上振動的光波的總和,即在觀察時間內(nèi),光矢量在各個方向上的振動幾率和大小相同。自然光在傳播過程中,由于外界的影響,造成各個振動方向上的強度不等,這種光叫做部分偏振光。


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圖3 (a)自然光            (b)部分偏振光


旋光現(xiàn)象

      對于某些晶體,當(dāng)入射平行線偏振光在晶體中沿著光軸方向傳播時,線偏振光的光矢量隨傳播距離逐漸轉(zhuǎn)動,這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象。


      可以發(fā)生旋光的物質(zhì)可以是雙折射晶體(如石英、酒石酸等)、各向同性晶體(如砂糖晶體、氯化鈉晶體等)和液體(如砂糖溶液、松節(jié)油等)。


      在固有旋光材料中,光矢量的旋轉(zhuǎn)方向取決于光的傳播方向,即如果光束沿原來的光路返回,其振動面將轉(zhuǎn)回到初始位置。



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圖4 旋光現(xiàn)象

法拉第效應(yīng)

      法拉第效應(yīng)也稱為磁致旋光效應(yīng),是磁光效應(yīng)的一種。所謂磁光效應(yīng),即指在強磁場的作用下,物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)會發(fā)生變化。法拉第效應(yīng)是指在強磁場作用下,本來不具有旋光性的物質(zhì)產(chǎn)生了旋光性,即線偏振光通過加有外磁場的物質(zhì)時,其光矢量發(fā)生了旋轉(zhuǎn)。


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圖5 法拉第效應(yīng)

      如圖5所示,將玻璃棒放進螺旋管的磁場中,并置于正交偏振器P、A之間,使光束順著磁場方向通過玻璃樣品,此時檢偏器A能接收到通過樣品的光。入射光矢量旋轉(zhuǎn)的角度θ與沿著光傳播方向作用在非磁性物質(zhì)上的磁感應(yīng)強度B及光在磁場中所通過的物質(zhì)厚度l成正比,即

θ=VBl

      其中,V是物質(zhì)常數(shù),稱為維爾德(Verdet)常數(shù),它與波長有關(guān),且非常接近該材料的吸收諧振,故不同的波長應(yīng)選取不同的材料。

從偏振特性的角度來說,磁光材料引起的光偏振方向僅取決于外加磁場的方向,而與光的傳播方向無關(guān)。也即它可以將正向入射光和反向入射光的偏振面都向同一方向旋轉(zhuǎn)同一角度,而與傳輸方向無關(guān),所以法拉第效應(yīng)具有非互易性,這與材料的固有旋光效應(yīng)不同。


偏振器件工作原理
      常用的偏振器件有很多,我們往期的技術(shù)系列文章中介紹了偏振分光棱鏡、波片等器件,本次主要介紹兩種偏振器件,分別是法拉第旋轉(zhuǎn)器和自由空間隔離器。

法拉第旋轉(zhuǎn)器

      法拉第旋轉(zhuǎn)器是一種利用法拉第效應(yīng)實現(xiàn)光的偏振狀態(tài)旋轉(zhuǎn)的裝置,它在飽和磁場作用下對特定波長的光產(chǎn)生45°的旋轉(zhuǎn)角。主要由磁光材料和永磁材料兩部分構(gòu)成,工作原理見上述圖5。


      在可見光及近紅外波段常用的磁光材料主要有釔鐵石榴石(YIG晶體)、鋱鎵石榴石(TGG晶體)、摻鋱玻璃和鉍(Bi)摻雜的石榴石晶體等;


      磁光材料發(fā)生旋光效應(yīng)所需的磁場通常由永磁體提供。磁體要求在磁光材料所在空間內(nèi)產(chǎn)生盡量強的軸向磁場,使磁場材料產(chǎn)生盡量大的穩(wěn)定的偏振旋轉(zhuǎn)角度,常用材料為釤鈷(Sm-Co)材料和釹鐵硼(NdFeB)材料。



自由空間隔離器
      自由空間隔離器是利用法拉第效應(yīng)構(gòu)成的一種非互易光學(xué)元件,它使光束只能沿單方向前進,而不能反向傳播。主要由偏振器(片)、法拉第旋轉(zhuǎn)片、磁環(huán)和金屬結(jié)構(gòu)件等組成。在光路上,單級自由空間型隔離器常用三片式結(jié)構(gòu),即“偏振片-旋轉(zhuǎn)片-偏振片”,其工作原理如圖7所示。

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圖7 自由空間隔離器工作原理

      如圖7(a)所示,P、A為偏振器,其透光軸互成45°角,F(xiàn)-R為旋轉(zhuǎn)片,線偏振光光矢量經(jīng)過旋轉(zhuǎn)片后旋轉(zhuǎn)45°,這時從左向右傳輸?shù)墓饪梢酝ㄟ^A出射,而從右到左的反向傳輸光經(jīng)過A和旋轉(zhuǎn)片F(xiàn)-R后,因為磁場的大小和方向不變,所以光矢量的振動方向又同向轉(zhuǎn)過45°,正好與偏振片P的透光軸方向垂直,見圖7(b),因而不能通過P,反向傳輸光被阻擋。



偏振器件產(chǎn)品指標(biāo)

      法拉第旋轉(zhuǎn)器和自由空間隔離器主要用在激光系統(tǒng)中,和常見的激光反射鏡、激光透鏡等器件一樣,在選用合適產(chǎn)品時,需要關(guān)注激光損傷閾值、所能承受的光功率大小、透過率、衰減等參數(shù),另外,應(yīng)關(guān)注自由空間隔離器2個重要的光學(xué)指標(biāo),分別是插入損耗和隔離度。


插入損耗

      光隔離器的插入損耗是光隔離器正向接入時,輸出光功率與輸入光功率的比率,以dB為單位。假設(shè)光隔離器的正向輸入光功率為P1,輸出光功率為P2,則其計算公式為:

偏振器件的基本原理及產(chǎn)品介紹

      影響插入損耗的因素有材料的固有吸收、各端面的回返損耗、雙折射晶體和法拉第旋轉(zhuǎn)器的角度誤差、消光比及透鏡的耦合損耗等。


隔離度

      反向隔離度是光隔離器最重要的指標(biāo)之一,它表征光隔離器對反向傳輸光的隔離能力。將光隔離器反向接入,假設(shè)光隔離器反向輸入光功率為P1,輸出光功率為P2,則光隔離器的隔離度計算公式為:


偏振器件的基本原理及產(chǎn)品介紹
      影響隔離度的主要因素有磁光晶體的旋光角度誤差、晶體的消光比和各表面的反射影響等。目前單級光隔離器的隔離度一般大于30dB,雙級光隔離器即“偏振片-旋轉(zhuǎn)片-偏振片-旋轉(zhuǎn)片-偏振片”可以實現(xiàn)更高的隔離度。

偏振器件產(chǎn)品介紹

      聯(lián)合光科推出了波長為532nm、1064nm的法拉第旋轉(zhuǎn)器和自由空間隔離器,產(chǎn)品具有高功率、高透過率、高激光損傷閾值等優(yōu)點,產(chǎn)品詳情見下表,我們也提供該類產(chǎn)品的定制服務(wù)。


偏振器件的基本原理及產(chǎn)品介紹

法拉第旋轉(zhuǎn)器

偏振器件的基本原理及產(chǎn)品介紹

自由空間隔離器



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