【常用光学元器件】选偏器件的原理和选择
摘要：在光学实验中，选偏元件（Polarizer）的地位至关重要。在传统的激光放大领域，选偏元件可以用来配合法拉第旋光器组成光隔离系统，也可以用来配合电光晶体组成固态激光器的电光开关；在新兴的泵浦探测领域，选偏元件可以用来检测被探测样品对信号光偏振态的改变，进而开展磁性材料超快动力学研究等等。
一、选偏元件的原理和种类
选偏元件有吸收型和分光型两种[1]。吸收型的元件对于某一偏振方向的光吸收很少，而对垂直于该偏振方向的光吸收很强，进而使得透过该元件的光是一种单一偏振方向的光；分光型元件是最常用的选偏元件，其工作原理一般是基于双折射效应或偏振分光薄膜来实现的，常见的有格兰棱镜（Glan prism）、薄膜偏振片（thin film polarizer, TFP）和偏振分光器（polarization beam splitter , PBS）。前者是基于双折射效应，后两者是基于偏振分光薄膜，接下来做一一介绍。
1、格兰棱镜（Glan prism）
格兰棱镜由两块相同的直角棱镜组成（材料为方解石等双折射晶体），如图所示。两个棱镜粘合起来，中间有空气隙。晶体材料的光轴方向平行于纸面，入射激光的偏振方向与光轴同向的为e光（extraordinary ray, e-ray），与光轴垂直的为o光（ordinary ray, o-ray）。两束光在晶体中的折射率不一样，在空气隙处的表面，o光产生全反射（入射角为o光的布儒斯特角），很少部分的e光也产生反射，绝大部分的e光透射经过空气隙和另一部分晶体后输出。
图1 格兰棱镜（Glan prism）
2. 薄膜偏振片（Thin film polarizer, TFP）
薄膜偏振片是在玻璃基底上镀制基于干涉效应的膜系而成。一般有布儒斯特角放置的和45度放置的两种类型。前者对于透射光的反射很少，但由于布儒斯特角放置的缘故，如果使用其反射光，一般需要使用一对TFP来将s偏振光选择出来并调为与入射光平行。
45度放置的TFP便于直接使用反射的s偏振光（常规的反射镜的入射角是45度或0度），对于透射光有一定比例的反射，需要在后表面镀增透膜来提高对透射光的透过率，且前表面的膜系设计更加复杂[2]，成本比布儒斯特角放置的TFP要高。
图2 薄膜偏振片（Thin film polarizer, TFP）
3. 偏振分光器（Polarization beam splitter , PBS）
偏振分光器的原理与TFP类似，使用两块直角棱镜粘合而成，内反射面镀特殊膜系，将s偏振和p偏振分离开。
图3 偏振分光器（Polarization beam splitter , PBS）
二、选偏元件的选择
使用选偏元件时，最重要的参数是消光比。消光比是指选偏元件对于p偏振光的透过率和对于s偏振光的透过率之比（不同商家对“消光比”的定义会有所不同，选购之前需要咨询清楚商家的定义方式）。由于不同的场合使用需求不同，在此我们将选偏元件的使用方式定义为透射式和反射式，即最终需要使用的光是透射光或反射光。实际使用时，格兰棱镜的消光比比较高，一般能够达到消光比Tp/Ts > 1000:1，且一般用作透射式（其对p偏振会有少部分反射，因而反射式的消光比不高）；而对于TFP而言，可以用作透射式或者反射式，一般能够实现消光比大于200:1，PBS也是类似。
格兰棱镜和布儒斯特角放置的TFP可以工作在宽光谱的条件下，常用于宽带飞秒激光的领域（格兰棱镜作为块材料会引入一定的色散量，在对飞秒激光进行选偏时需要考虑其对飞秒脉冲脉宽的影响）。例如，格兰棱镜可以在700-900 nm的范围内保持1000:1的消光比；布儒斯特角放置的TFP可以在40 nm的带宽范围内实现200:1的消光比[3]。而PBS和设计为45度放置的TFP则只能在较窄光谱的范围内保持200:1的消光比。
格兰棱镜和TFP的损伤阈值较高，使用1064 nm的纳秒激光做测试，其损伤阈值可达5 J/cm2以上；而PBS的损伤阈值比较低，为1 J/cm2。由于块状材料的尺寸受限，TFP更适合使用于大光束口径的高能激光系统中。
此外，使用TFP和PBS时还有一点要特别注意。使用TFP时会有鬼像问题（Ghost reflections），即由于后表面的反射引起的在主光束旁边有一束平行的微弱光（主要是用于反射式时会出现该问题），在激光放大中要消除该光束的影响；而PBS也会有该问题，但是程度会弱一些。
三、参考资料
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Polarizer#Thin_film_polarizers
[2] https://www.rp-photonics.com/thin_film_polarizers.html?s=ak
[3] http://eksmaoptics.com/femtoline-components/femtoline-polarizing-optics/femtoline-thin-film-laser-polarizers-round/
