非偏振分光镜（NPBS）

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非偏振分光镜（NPBS）是一种关键光学元件，用于将入射光束按指定比例（通常为 50:50）分成两束独立光束，一束透射光和一束反射光，同时严格保持光的原始偏振态。

偏振分光镜会有意将光分离为正交偏振分量，而NPBS与之不同，它可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NPBS元件不会改变入射光的偏振态，因此广泛用于必须保持偏振完整性的系统。

基础光学物理

光与 NPBS 相互作用时的行为由以下几项基本原理决定：

  • s偏振（垂直）： 电场振动方向垂直于入射面的光。
  • p 偏振（平行）： 电场平行于入射面振荡的光。
  • 入射角（AOI）： 入射光束照射分光镜表面时的角度（标准配置通常为45°）。
  • 分光比（T:R）: 透射光与反射光的百分比。为实现真正的非偏振特性，镀膜必须使s偏振态和p偏振态的反射（R）系数与透射（T）系数近似相等。从数学上看，镀膜旨在满足以下条件:

Ts ≈  Tp

Rs ≈  Rp

物理架构

非偏振分光镜通常有两种主要外形，每种外形适用于不同的功率和对准要求。

立方体分光镜

由两个直角棱镜胶合或光学接触而成。组装前，在其中一个棱镜的斜面上镀制非偏振分光膜。

  • 优点： 光束零位移，透射光束不会相对光轴发生平行偏移，坚固耐用且易于安装。
  • 缺点： 光学胶可能吸收光线，或在超高功率激光照射下发生劣化。

平板分光镜

由单片平面光学窗口组成。前表面镀有非偏振分光膜，后表面则镀有增透（AR）膜。

  • 优点：重量较轻，通常成本较低，而且不使用可能会劣化的光学胶，因此非常适合高功率激光应用。
  • 缺点： 光线穿过一定厚度的玻璃时会发生折射，导致透射光束产生轻微的横向位移，精密对准时必须将其考虑在内。

光学薄膜镀层

为达到所需的Ts ≈  Tp 公差，NPBS需要采用专用涂层：

  • 介质膜： 由高折射率和低折射率材料交替构成的多层膜系，用于在吸收几乎为零的情况下实现特定的反射和透射特性。宽光谱介质 NPBS 元件是结构高度复杂的高端光学元件。
  • 金属镀膜：薄金属层（如铝或银）本身可以分光，而且对偏振的敏感度不高。然而，它们往往会吸收入射光的一部分，因此不太适合高功率应用。
  • 增透（AR）膜： 镀于分光镜的次要外表面，用于尽量减少不需要的二次反射，并最大限度提高整体光通量。

性能指标 & 伪影

评估用于光学系统的NPBS时，必须考虑多种伪影和阈值：

  • 光束位移： 透射光束经平板分光镜折射时产生的平行偏移。
  • 鬼影反射（重影）： 由平板分光镜后表面的内部反射产生的微弱次级光束。
  • 波前畸变： 透射或反射波前相对于其理想形状的偏差，通常由表面不规则或光学胶中的应力引起。
  • 激光诱导损伤阈值（LIDT）： 光学元件在发生性能劣化前所能承受的最大激光能量密度或功率密度。

主要应用

由于NPBS元件不会改变入射光的偏振态，因此对于必须保持偏振完整性的系统至关重要。

  • 干涉测量： 用于迈克耳孙干涉仪等装置。在这类装置中，保持分束后光束的相位和偏振对于生成准确的干涉条纹至关重要。
  • 激光束控制：对于在复杂光学系统中引导光路至关重要，尤其是在使用偏振激光器时，因为改变偏振状态会降低光束对后续光学元件的适用性。
  • 荧光显微镜与成像：用于信号偏振携带被观察样品重要物理信息的成像光路。

应用示例：光学相干断层扫描（OCT）

NPBS最突出的实际应用之一是光学相干断层扫描（OCT），这是生物医学成像领域广泛使用的技术。在涉及非侵入式OCT诊断设备的美国专利文献中，NPBS经常被视为实现整个干涉测量的核心光学节点。

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。

分光： NPBS将入射光束分成相等的两部分：

    • 参考臂（反射）： 50% 的光以 90° 的角度反射至固定式或扫描式参考镜。
    • 样品臂（透射）： 其余 50% 直接透过立方体并射向生物样品（例如人体组织或视网膜）。

返回光路： 两束光分别从各自的目标反射，并返回NPBS。

重新合束与干涉： NPBS将返回的两束光重新合束。由于该分光镜为非偏振型，因此可确保返回光的偏振状态不会被人为改变。两个光路臂之间的任何偏振差异都会降低干涉条纹的可见度。

检测: 重组后的光被引导至光谱仪或探测器，通过分析干涉图样生成生物样品的高分辨率深度剖面。