偏振分光镜（PBS）

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偏振分光镜（PBS）是一种精密光学元件，用于将一束入射光分为两束独立且偏振方向相互正交的光。

标准的非偏振分光镜根据光强分光，例如，无论偏振态如何，均将 50% 的光导向一个方向，将 50% 导向另一个方向。偏振分光镜则严格根据电场的取向来分配光路。

核心概念 & 术语

要了解 PBS 在光学系统中的工作方式，必须先明确支配其工作的基本物理原理。

入射面

入射面是由入射光束（入射光线）的传播方向和垂直于其所照射光学表面的直线（法线）构成的几何平面。偏振分光镜根据电场相对于该特定平面的取向分离光线。

S 偏振和 P 偏振

这些术语描述光相对于入射面的两种正交线偏振状态：

  • P 偏振： 光的电场方向与入射面平行振荡。在标准 PBS 中，p 偏振光直接透射通过介质膜。
  • S偏振： 光的电场振动方向与入射面垂直。S源自德语单词senkrecht，意为垂直。在标准PBS中，s偏振光经介质镀膜以90度角反射。

消光比（对比度）

消光比 ($ER$) 是用于量化 PBS 效率和偏振纯度的指标。它衡量该元件在截止非目标偏振态的同时隔离所需偏振态的能力。

对于透射光束（理想情况下应为纯p偏振），消光比计算为所需偏振态的透射率与非所需偏振态的透射率之比：

ER = Tp / Ts

其中， Tp是p偏振光的透射率， Ts 是残余s偏振光的透射率。高消光比（例如>1000:1）对于防止敏感系统中的信号污染至关重要。

实际应用

偏振分光镜是许多先进光学设计的基础元件。在需要精确控制光路和降低噪声的系统中，美国专利文献经常提及此类元件。

光隔离器（发射/接收开关）

在LiDAR或干涉测量等系统中，光隔离器相当于光的单向阀，可防止反向反射导致激光光源不稳定或受损。该功能通过组合PBS与四分之一波片（QWP）实现。

  1. 透射： p偏振激光束直接透过PBS。随后，它通过QWP并转换为圆偏振光，然后传播至目标。
  2. 隔离： 圆偏振光从目标物反射后，其“旋向”会反转。当它再次通过QWP时，会转换为线偏振光，但其偏振轴此时已旋转90度，使其成为s偏振光。
  3. 光束偏转： 当返回的s偏振光入射到PBS时，介质膜会以90度角将其反射，使其安全偏离激光谐振腔。

机器视觉同轴照明

在自动光学检测（AOI）系统中，使用标准照明检测半导体晶圆或机加工金属等高反射率平坦表面时，会产生强烈眩光，使微观缺陷无法显现。将 PBS 与 QWP 结合使用，可构建同轴照明系统来解决这一问题。

  1. 选择性照明： 非偏振 LED 光从 PBS 侧面入射。内部镀膜仅将 s 偏振光向下反射至物体，并使其通过 QWP 转换为圆偏振光。
  2. 减少眩光： 光从光亮的平面反射后，圆偏振旋向发生反转。光再次通过 QWP，并转换为纯净的p 偏振光。
  3. 图像采集： 由于平坦表面的眩光现在为完全p偏振光，因此会直接透过PBS进入相机传感器，形成均匀明亮的背景。任何经缺陷散射的光都会失去这种严格的偏振状态，被PBS截止，并在机器视觉软件中呈现为高对比度暗点。