偏振在激光應用中的重要性

偏振在激光應用中的重要性

光可以理解為(wei) 由振蕩的電場和磁場組成的橫電磁波。光波中電場的方向由光的偏振來描述。包括太陽光、鹵素燈和LED聚光燈在內(nei) 的許多光源被認為(wei) 是非偏振的，因為(wei) 它們(men) 的電場方向在時間上隨機波動。另一方麵，激光源通常是線性偏振的。

理解激光的偏振對於(yu) 許多應用是重要的，因為(wei) 偏振影響反射、激光束的聚焦以及影響激光的最終應用的其他光學行為(wei) 。雖然大多數激光源是線性偏振的，但也可以產(chan) 生其他類型的偏振，例如圓形、橢圓形和徑向偏振。偏振的基本原理在我們(men) 的偏振應用筆記中有所介紹，但本指南將深入探討這些概念在激光應用中的具體(ti) 應用。

激光源偏振

激光的偏振狀態由激光增益介質或諧振腔的幾種各向異性機製決(jue) 定。“各向異性"是指其值在不同方向上變化的性質。激光增益介質可以是偏振相關(guan) 的，如一些各向異性激光晶體(ti) 和半導體(ti) 光學放大器的情況。在該介質內(nei) ，發射由進入的泵浦光子激發。受激發射光子將以與(yu) 泵浦光子相同的偏振態發射。在沒有偏振選擇光學器件（例如偏振器和波片（也稱為(wei) 延遲器））的情況下，光將是非偏振的並且不適合於(yu) 某些應用。此外，由於(yu) 包含布儒斯特板或所涉及的任何其他光學部件的輕微未對準，諧振器中的損耗可能是偏振激光發射變化的原因。

偏振消光比（PER）（PER）可用於(yu) 確定通過器件或係統（例如激光腔）傳(chuan) 播後的偏振度。它是主偏振模式的光功率與(yu) 正交偏振模式的光功率之比，其中這些模式中的每一個(ge) 彼此垂直。這些極化通常被稱為(wei) TE（橫電）和TM（橫磁）。Perper通常表示為(wei) 兩(liang) 個(ge) 正交偏振態的比率（例如100∶1，表示在主方向上偏振的光量是在正交方向上偏振的光量的100倍）。例如，Coherent®高性能OBIS™LX/LS激光係統的PERPER為(wei) 100：1，而線性偏振Lumentum高性能氦氖激光器的PERPER為(wei) 500：1。Perper也可以用分貝表示，其計算公式為(wei) ：

(1) 

反射率的偏振依賴性

單個(ge) 光波由構成p偏振態和s偏振態的兩(liang) 個(ge) 獨立的正交分量組成，這在利用光的某些偏振的反射和透射的應用中是至關(guan) 重要的。對於(yu) p-偏振光，電場平行於(yu) 界麵的入射麵，而對於(yu) s-偏振光，電場垂直於(yu) 入射麵（圖1）。

圖1：S-偏振和P-偏振的描述，它們(men) 是由它們(men) 相對於(yu) 入射平麵的方向定義(yi) 的線性偏振。該圖還顯示了布儒斯特角，在該角度下，沒有p偏振光在光學界麵上反射。

當通過引入布魯斯特角來處理兩(liang) 種介質之間的界麵處的光傳(chuan) 播時，理解這一點很重要。布儒斯特角是一個(ge) 入射角，在該入射角處，p偏振光透射通過，而s偏振光在未塗覆的光學表麵處被部分反射（圖2）。該概念應用於(yu) 激光腔中，以完/全傳(chuan) 輸光的p偏振分量，並通過反射為(wei) s偏振分量引入損耗。布儒斯特角可以由光傳(chuan) 播通過的入射介質（N1）（N1）和另一介質（N2）（N2）的折射率來確定。

(2) 

圖2：空氣-玻璃光學界麵的菲涅爾反射率與(yu) 入射角的關(guan) 係。對於(yu) P偏振，反射率在布儒斯特角（在這種情況下，~56°）處消失，而S偏振的反射率隨著入射角的增加而穩定增加。

有許多雷竞技竞彩底金利用布儒斯特角的概念用於(yu) 有用的應用。布儒斯特窗口是以布儒斯特角定向的透明襯底，當光束以最小的光學損耗傳(chuan) 播通過透明窗口時使用。例如，考慮具有密封玻璃管和外部平凸鏡的氦氖（He-Ne）激光器。在玻璃管的末端是透明窗口，每次通過的損耗小於(yu) 1%。當布儒斯特窗口被小心地放置在管的每一側(ce) 時，空氣-玻璃界麵處的反射率對於(yu) p偏振光來說是標稱的，這證明它有利於(yu) 防止諧振器內(nei) 殘餘(yu) 反射的幹涉效應（圖3）。p偏振和s偏振之間的相當大的損耗差異導致激光輸出變為(wei) p偏振。

圖3：He-Ne激光器的激光係統，其中兩(liang) 個(ge) 布儒斯特窗口在激光諧振腔內(nei) 具有相同的取向。p-偏振光被顯著透射，引起激光發射的總體(ti) p-偏振取向。

與(yu) 布儒斯特窗類似的是布儒斯特板，通常將其插入偏振激光束中，使透射光以p偏振出射。然而，與(yu) 布魯斯特窗口不同，該板由共麵表麵組成。板引入了與(yu) 板的厚度成比例的光束位置的平行移動（圖4）。布儒斯特板經常應用於(yu) 體(ti) 激光器的激光諧振腔中，它會(hui) 引入S分量的偏振損耗，並迫使激光束獲得穩定的線偏振。

圖4：當激光束以接近布儒斯特角的入射角通過布儒斯特板時，由於(yu) 反射損耗，透射光束為(wei) p偏振，而反射光束為(wei) s偏振。

另一方麵，零相移鏡同等地反射p偏振和s偏振。這保持了入射激光束的偏振。

偏振相關F激光聚焦

激光束的偏振影響其聚焦方式。青格勒等人的研究2015年的研究表明，聚焦圓偏振光束在衍射極限處產(chan) 生對稱光斑，而線偏振光束聚焦成沿偏振方向延伸的細長光斑。在許多應用中，這些影響很小，可以忽略不計，但精確的應用需要考慮這些影響，以努力獲得衍射極限的聚焦光斑。

偏振在激光應用中的應用

偏振激光輸出可用於(yu) 激光光學工業(ye) 中的許多有用應用中。

偏振合束

也稱為(wei) 偏振耦合，該技術疊加多個(ge) 線性偏振激光束，並可分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 子類：相幹和非相幹偏振組合。

在相幹偏振組合的情況下，兩(liang) 個(ge) 相幹光束的正交偏振態疊加，產(chan) 生純線性激光發射（圖5）。這僅(jin) 在兩(liang) 個(ge) 注入光束是正交線性偏振的且相位差為(wei) δ=nπδ=nπ時才是可能的，其中NN是整數。由於(yu) 該輸出，該技術可以重複多次以增加激光發射的總功率，這也被稱為(wei) 功率縮放。該技術用於(yu) 功率放大器激光係統。

圖5：當兩(liang) 個(ge) 相幹激光束通過偏振光束組合器（PBC）傳(chuan) 播時，它們(men) 被組合以產(chan) 生新的線性偏振輸出光束。

非相幹偏振組合涉及通過偏振光束組合器（PBC）發送不同偏振的光束，以獲得顯示入射光束的組合光功率和幾乎加倍的亮度的非偏振光束。該技術涉及偏振輸入光束和非偏振發射，因此不適用於(yu) 可重複的功率縮放。例如，一個(ge) 垂直偏振光束和一個(ge) 水平偏振光束可以通過薄膜偏振器發送，導致光束之一被反射而另一個(ge) 被透射，兩(liang) 個(ge) 光束在相同方向上傳(chuan) 播。

非相幹合束可以應用於(yu) 端麵泵浦固態激光器，其中泵浦光沿著光束的方向而不是橫向注入。由可以在兩(liang) 個(ge) 偏振方向上吸收泵浦輻射的諸如Nd：YAG的材料製成的激光晶體(ti) 可以利用該技術。例如，由以發射器的2D陣列布置以產(chan) 生多千瓦輸出功率的多個(ge) 二極管條組成的二極管激光器堆遭受比單個(ge) 二極管條的整體(ti) 亮度更低的整體(ti) 亮度。非相幹偏振光束組合可以應用於(yu) 疊層以提高亮度，這反過來又泵浦高功率固態體(ti) 激光器。

雙折射

雙折射描述了發生在某些透明介質中的光學特性，其中折射率取決(jue) 於(yu) 光的偏振，從(cong) 而導致光在材料中發生雙折射。這種現象可能是由許多因素引起的，包括介質的晶體(ti) 結構、材料固有的或誘發的應力場，以及額外電磁場的應用。

這種特性在稱為(wei) 雙折射調諧器的裝置中得到利用，雙折射調諧器使傳(chuan) 輸的光學帶寬變窄，並反射傳(chuan) 播的腔內(nei) 激光束的其它波長的光。調諧器以布儒斯特角放置，然後繞垂直於(yu) 表麵界麵的軸旋轉，以在變窄的透射波長處引起延遲。感興(xing) 趣的波長僅(jin) 表現出p偏振分量，導致最小的或沒有反射損耗。相反，其他波長受到不同的延遲，變為(wei) s偏振，並經曆反射損耗。調諧器的傾(qing) 斜角度會(hui) 影響波長的偏移，以使功率損失最小，並在配備有千分尺螺釘的支架上進行調整，以進行精確修改。

入射角為(wei) 布儒斯特角的單板調諧器能夠通過激光束的s偏振分量的傳(chuan) 輸損耗產(chan) 生波長相關(guan) 的偏振變化。調諧器越厚，自由光譜範圍越小，該自由光譜範圍定義(yi) 了兩(liang) 個(ge) 透射最大值之間的光譜間隔，並提供更好的光譜分辨率。傳(chuan) 播的激光束在濾波器內(nei) 經曆與(yu) 其尋常光線和非常光線稍微不同的傳(chuan) 播，其中前者不變地通過，而後者以一定角度折射。這導致雙折射和對輸出光束的不均勻重疊貢獻。繞垂直於(yu) 表麵的軸旋轉調諧器會(hui) 改變傳(chuan) 輸曲線，並不可避免地改變光的異常分量的方向。

雙折射調諧器也可以由多個(ge) 板組成。額外數量的板允許激光器在目標損失最小的情況下工作。這是因為(wei) ，通過增加板的厚度，自由光譜範圍減小，並且波長範圍上的透射最小值移動得更近。為(wei) 了進一步增加不需要的波長的反射損耗，可以在板之間插入偏振器。這種具有一定限製板厚度的配置成為(wei) 所謂的Lyot去偏振器，其對入射的多色偏振光進行去偏振。

倍頻

非線性偏振的概念在倍頻光纖激光器領域開始發揮作用。在使用Nd：YAG和其他非線性晶體(ti) 作為(wei) 激光介質的某些激光器中，倍頻產(chan) 生的波的光頻率是泵浦光的兩(liang) 倍。