非偏振分束器 (NPBS)

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非偏振分束器 (NPBS) 是一种关键光学元件，旨在将入射光束分成两束独立的光束——一束透射光和一束反射光——并按指定比例（通常为 50:50）分配，同时严格保持光的原始偏振状态。

与偏振分束器不同，偏振分束器有意将光分离为其正交偏振分量，而 NPBS 确保反射光束和透射光束具有与输入光束完全相同的偏振特性。由于它们不改变入射光的偏振状态，NPBS 元件广泛应用于必须保持偏振完整性的系统中。

基本光学物理原理

光与 NPBS 相互作用的行为由几个关键原理定义：

  • s-偏振（垂直）：电场垂直于入射平面振荡的光。
  • p-偏振（平行）：电场平行于入射平面振荡的光。
  • 入射角(AOI)：入射光束撞击分束器表面的角度（标准设置通常为 45°）。
  • 分光比（T:R）：透射光与反射光的百分比。为了实现真正的非偏振行为，镀膜必须对 s 偏振态和 p 偏振态保持几乎相等的反射 (R) 和透射 (T) 系数。数学上，镀膜旨在满足：

Ts ≈  Tp

Rs ≈  Rp

物理结构

非偏振分束器通常有两种主要形式，每种形式都适用于不同的功率和对准要求。

立方分束器

通过胶合或光学接触将两个直角棱镜粘合在一起制成。非偏振分束器镀膜在组装前涂覆在其中一个棱镜的斜面上。

  • 优点：零光束位移（透射光束不平行于光轴移动）、坚固耐用、易于安装。
  • 缺点：光学胶在非常高功率的激光下可能会吸收光或降解。

平板分束器

由一块扁平光学窗口组成。正面涂有非偏振分束器镀膜，背面涂有增透 (AR) 镀膜。

  • 优点：重量更轻，通常更便宜，非常适合高功率激光应用，因为没有光学胶降解的问题。
  • 缺点：由于穿过玻璃厚度时的折射，透射光束会产生轻微的横向位移，这在精确对准中必须加以考虑。

薄膜镀膜

为了达到必要的Ts ≈  Tp 公差，NPBS 依赖于专用镀膜：

  • 介电镀膜：由交替的高折射率和低折射率材料组成的多层堆叠，用于实现特定的反射和透射特性，几乎没有吸收。宽光谱介电 NPBS 元件是高度复杂的优质元件。
  • 金属镀膜：薄薄的金属层（如铝或银）固有地分割光线，对偏振不敏感。然而，它们往往会吸收一部分入射光，因此不太适合高功率应用。
  • 增透 (AR) 镀膜：涂覆在分束器的次要外表面，以最大程度地减少不必要的二次反射并最大化总吞吐量。

性能指标和伪影

在评估用于光学系统的 NPBS 时，必须考虑几个伪影和阈值：

  • 光束位移：透射光束穿过平板分束器时发生的平行位移。
  • 鬼影反射（Ghosting）：由平板分束器背面内部反射引起的微弱二次光束。
  • 波前畸变：透射或反射波前与其理想形状的偏差，通常由表面不规则性或光学胶中的应力引起。
  • 激光损伤阈值 (LIDT)：光学元件在降解前可承受的最大激光能量密度或功率密度。

关键应用

由于它们不改变入射光的偏振状态，NPBS 组件在必须保持偏振完整性的系统中至关重要。

  • 干涉测量：用于迈克尔逊干涉仪等设置中，其中保持分束的相位和偏振对于生成精确的干涉条纹至关重要。
  • 激光束操控：对于复杂光学设置中的光路路由至关重要，特别是在使用偏振激光器时，改变偏振会降低光束对下游光学元件的效用。
  • 荧光显微镜和成像：用于成像路径中，其中信号的偏振携带有关被观察样本的重要物理信息。

应用示例：光学相干断层扫描 (OCT)

NPBS 最著名的实际应用之一是光学相干断层扫描 (OCT)，这是一种在生物医学成像中普遍使用的技术。在美国关于非侵入性 OCT 诊断设备的专利文献中，NPBS 经常被引用为使整个干涉测量成为可能的核心光学节点。

OCT 干涉仪光路：

光源：低相干、宽带光源向 NPBS 发射非偏振或随机偏振光束。

分束：NPBS 将入射光束分成两等份：

    • 参考臂（反射）：50% 的光以 90° 角反射到一个固定或扫描的参考镜。
    • 样品臂（透射）：剩余的 50% 直接穿过立方体透射到生物样品（例如，人体组织或视网膜）。

返回路径：两束光都从各自的目标反射，并返回 NPBS。

复合和干涉：NPBS 将两束返回光复合。由于分束器是非偏振的，它确保返回光的偏振状态不会被人工改变。两臂之间偏振的任何差异都会降低干涉条纹的可见度。

检测：复合光被引导到光谱仪或探测器，在那里分析干涉图样以生成生物样品的高分辨率深度剖面。