偏振分光棱鏡（PolarizingBeamSplitter，簡稱PBS）是一種高效的光學(xué)分束元件，能夠?qū)⒁皇肷涔夥譃閭鞑シ较蛳嗷ゴ怪钡膬墒€偏振光，且這兩束光的偏振方向也彼此垂直。與普通分光鏡不同，PBS在分光的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)光偏振態(tài)的選擇與控制，廣泛應(yīng)用于激光系統(tǒng)、光纖通信、光學(xué)檢測(cè)與成像等領(lǐng)域。

圖1：偏振分光棱鏡（PBS）工作原理示意圖

一、偏振分光棱鏡（PBS）基礎(chǔ)問答

Q1：自然光入射PBS，透射光與反射光的偏振方向是什么？

A1：當(dāng)自然光入射到偏振分光棱鏡時(shí)，透射光一般為P偏振光（偏振方向平行于入射面），反射光則為S偏振光（偏振方向垂直于入射面）。PBS利用雙折射或薄膜偏振分光原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)非偏振光的高效偏振分離。

Q2：正交線偏振（P與S）光入射PBS，輸出光狀態(tài)如何？

A2：若入射光為P與S偏振分量共存的正交線偏振光，PBS將根據(jù)其設(shè)計(jì)特性進(jìn)行分光：P偏振光主要透射，S偏振光主要反射。因此透射光以P偏振為主，反射光以S偏振為主，實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)的分離與提取。

二、核心光學(xué)概念解析

（1）光的偏振（Polarization）

偏振是光波振動(dòng)方向的特性，是描述光波狀態(tài)的重要參數(shù)之一。

光可分為：

• 線偏振光：電矢量沿單一方向振動(dòng)。

• 橢圓偏振光與圓偏振光：電矢量端點(diǎn)軌跡為橢圓或圓。

• 非偏振光（如自然光）：振動(dòng)方向隨機(jī)分布，無固定偏振態(tài)。

在光學(xué)系統(tǒng)中，常使用P光（平行于入射面）和S光（垂直于入射面）來描述線偏振光的振動(dòng)方向，為偏振器件的設(shè)計(jì)與分析提供基礎(chǔ)。

（2）雙折射現(xiàn)象（Birefringence）

雙折射是指光入射到某些晶體中時(shí)，分裂成兩束傳播方向與速度不同的線偏振光現(xiàn)象。

這兩束光分別為：

• O光（尋常光）：遵循斯涅爾折射定律，波速各向同性。

• E光（非常光）：不遵循一般折射定律，波速隨方向變化。

在單軸晶體中，O光振動(dòng)方向垂直于主平面，E光振動(dòng)方向位于主平面內(nèi)。該特性是構(gòu)建偏振分光棱鏡（如沃拉斯頓棱鏡、格蘭棱鏡等）的物理基礎(chǔ)。

（3）晶體光學(xué)分類

根據(jù)光學(xué)性質(zhì)，晶體可分為：

• 各向同性晶體：無雙折射效應(yīng)，如光學(xué)玻璃。

• 各向異性晶體：

• 單軸晶體：只有一個(gè)光軸方向，如石英、方解石。

• 雙軸晶體：有兩個(gè)光軸方向，如云母。

偏振分光棱鏡多采用具有雙折射特性的晶體材料制成，通過精密光學(xué)設(shè)計(jì)與膠合工藝，實(shí)現(xiàn)高消光比、低損耗的偏振分光功能。

三、偏振分光棱鏡在光通信與光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用

PBS是光通信、激光加工、光學(xué)傳感等領(lǐng)域的關(guān)鍵器件之一，典型應(yīng)用包括：

• 光纖通信系統(tǒng)：用于偏振復(fù)用與解復(fù)用，提升傳輸容量。

• 激光投影與顯示：分離與合成偏振光，提高圖像對(duì)比度。

• 光學(xué)測(cè)量與檢測(cè)：作為偏振態(tài)分析的核心組件。

• 量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)：用于光子偏振態(tài)制備與探測(cè)。

四、如何選擇適合的偏振分光棱鏡？

在選擇PBS時(shí)，需關(guān)注以下參數(shù)：

• 工作波長范圍

• 透射率與反射率

• 偏振消光比

• 損傷閾值

• 尺寸與安裝方式

廣西科毅光通信提供多種規(guī)格的偏振分光棱鏡，支持定制化設(shè)計(jì)與光學(xué)系統(tǒng)集成服務(wù)，適用于各類高精度光學(xué)與光通信應(yīng)用。

五、結(jié)語

偏振分光棱鏡作為偏振光學(xué)中的基礎(chǔ)與關(guān)鍵器件，其性能直接影響整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定與效率。理解其工作原理與光學(xué)特性，有助于更科學(xué)地進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)與器件選型。

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參考資料：
祝連慶等，一種基于全保偏光纖反射式雙折射干涉應(yīng)變傳感器，CN112710248A，2021.
H.Y. Hu et al., Polarization-maintaining photonic crystal fiber pressure sensor based on Sagnac interferometer, 2008.
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