光學偏振態的判斷以及偏振態之間的轉換

2021-01-16 Fun光學設計

    大千世界無奇不有，一些物質的存在形式往往用肉眼是沒有辦法感知的，只能將他們的形態進行轉換，轉換為現實世界可以被感知的物理量，比如說光強，在通過人們的邏輯思維進行推演，進而區別不同的形態，比如說判斷光的偏振態的問題。

    偏振態有：線偏振，部分直線偏振，圓偏振，部分圓偏振與自然光，橢圓偏振與部分橢圓偏振，判斷其偏振態主要採用偏振片（起偏器或檢偏器）和四分之一波片。

1、直線偏振

經過偏振片，存在消光，當旋轉90°，光強最大

2、區別圓偏振，部分圓偏振與自然光

轉動偏振片，如果光強不變，入射光為圓偏振或自然光或自然光與圓偏光混合而成的部分圓偏光，為了判斷這三種光，我們需要在偏振片前面加四分之一波片

若為圓偏光，經四分之一波片後為線偏振，旋轉偏振片存在消光，並旋轉90°後出現最大值。

若為自然光，經四分之一波片後為自然光，旋轉偏振片以後光強始終保持不變。

若為部分圓偏光，經四分之一波片以後為為部分直線偏振，則旋轉偏振片後會出現亮暗交替，但是不會出現消光。

3、區分橢圓偏光，部分橢圓偏光，部分直線偏光

旋轉偏振片，均發現有亮暗交替，但無消光現象，所以，在偏振片前面加四分之一波片，四分之一波片光軸的取向為單獨放偏振片時光強最大的振動方向一致。

若為橢圓偏振，經四分之一波片為直線偏振，旋轉偏振片，出現亮暗交替，且存在消光

若為部分橢圓偏振，經四分之一波片為部分直線偏振，出現亮暗交替，但無消光存在

若為部分直線偏振，將四分之一波片旋轉45°，變為部分圓偏振，旋轉偏振片，光強始終不變。

偏振態之間的轉換

    在一些特殊的應用中，我們希望獲得任意狀態的偏振光，這就需要我們從現有的偏振光出發，經過一系列變化，變為我們所需要的偏振光，而這種裝置為偏振控制器。下面我們討論一下偏振控制器：

偏振控制器不改變光強

偏振控制器的主要參數有響應速度、消光比、波動、無端復位等。

偏振控制器的主要性能指標有：線性延遲性、驅動電壓、插入損耗、響應調節速度，消光比等。...消光比表徵了偏振控制器對偏振態的控制能力，一般用來表徵線型偏振控制器的性能，可以定義為期望方向光強與其正交方向光強的比值。消光比越大，得到期望輸出偏振態越好。目前己有偏振控制器的消光比達到30dB以上。

偏振控制器也可以用做擾偏器，以得到高度隨機的偏振態。

所謂偏振控制器，就是能將輸入的任何一種偏振態（橢圓偏振，圓偏振，線偏振）轉變成任意指定的偏振態輸出。光纖偏振控制器一般由兩個控制元件構成，這是因為偏振態的自由度是2，即橢圓度和方位角。

一：利用波片組合（延遲量固定但其方位角可變波片組成的偏振控制器，即自由波片結構）控制偏振態

1、 通常認為1/4波片能夠把任何狀態偏振光（線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光）轉化為線性偏振光或相反，而半波片則能實現任意兩個偏振態間的轉換，所以它們之間的組合可以實現偏振控制。

控制原理是：第一個四分之一波片把任意的輸入偏振光轉變為線偏振光，二分之一波片把此線偏振光轉到任一期望得到的偏振方向，最終第二個四分之一波片再將該偏振光轉變成任何希望得到的輸出偏振態。

    註：1/4波片能夠把任何狀態偏振光（線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光）轉化為線性偏振光的前提條件是：1/4波片的光軸要與橢圓主軸（包括長軸x 和短軸y ）平行。

2、部分偏振光和自然光的兩個分量是不相干的，不能合成一個矢量。部分偏振光的兩個分量振幅大小是不等的；而自然光是相等的。

二：光纖打圈等效波片形式

       利用彎曲光纖引入應力線性雙折射，通過控制光纖彎曲半徑及彎曲圈數製成在線單模光纖1/4波片和1/2波片。主軸方向可以改變的兩個1/4波片和一片1/2波片便可構成一個偏振控制器。第一個1/4波片將光纖中傳播的橢圓偏振態變成線性偏振態。1/2波片將此線性偏振態旋轉至所需要的方向。最後一個1/4波片將1/2波片輸出的線偏態變成所需的橢圓偏振態。這樣，偏振控制器就能實現任意兩個偏振態之間的轉化。換句話講：無論光纖埠處輸入任何偏振態都可以通過調節偏振控制器，在輸出端得到任意所需要的偏振態（即：可以實現任意確定輸入偏振態到任意確定輸出偏振態的轉換）。

三：法拉第旋轉器型偏振控制器

      法拉第旋轉器是利用法拉第效應，對置於永磁體磁場內的光纖導模的偏振態進行控制。所謂法拉第效應，簡單地說，就是指放在磁場中的本來不具旋光性的物質產生了旋光性。當光矢量通過這樣的物質時會發生旋轉。旋轉角度θ=VBL，這裡，V是維爾德常數（反映物質特性），B是磁感應強度，L是光在介質中傳播的距離。

原則上一個偏振控制器應該能夠將任何輸入偏振態轉換成任何其它輸出偏振態，但幾乎所有實際應用都是將一個固定的線偏振態轉換成另一個任意的狀態，或其反過程。

       上面只是從基本的原理來介紹偏振態的種類和識別方法，以及從任意偏振態出發得到想要的偏振態，但這種變換在實際應用中有什麼意思呢？我從一個例子中來解釋，CO2雷射在從雷射器出來的時候一般情況是線偏振的，那麼在加工金屬的時候，各個方向的電場強度不同，這樣就會造成加工不同方向的線條時出現加工效果不一致的情況，為了解決這一問題，人們一般會將線偏振轉換為圓偏振，這樣就成功的解決了這個問題。當然還有一些動態的過程，需要維持偏振態不變的情況，總之呢，各種需求都會存在，如果掌握了這些基本的原理，就可以隨心所欲的設計自己的系統，本文沒有介紹如何產生這些的偏振形態，我將在後續單獨開一篇文章詳細的介紹此問題


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