偏振在激光應用中的重要性

偏振在激光應用中的重要性

光可以理解為由振蕩的電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成的橫電磁波。光波中電場(chǎng)的方向由光的偏振來(lái)描述。包括太陽(yáng)光、鹵素燈和LED聚光燈在內的許多光源被認為是非偏振的，因為它們的電場(chǎng)方向在時(shí)間上隨機波動(dòng)。另一方面，激光源通常是線(xiàn)性偏振的。

理解激光的偏振對于許多應用是重要的，因為偏振影響反射、激光束的聚焦以及影響激光的最終應用的其他光學(xué)行為。雖然大多數激光源是線(xiàn)性偏振的，但也可以產(chǎn)生其他類(lèi)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應用。

激光源偏振

激光的偏振狀態(tài)由激光增益介質(zhì)或諧振腔的幾種各向異性機制決定?！案飨虍愋?是指其值在不同方向上變化的性質(zhì)。激光增益介質(zhì)可以是偏振相關(guān)的，如一些各向異性激光晶體和半導體光學(xué)放大器的情況。在該介質(zhì)內，發(fā)射由進(jìn)入的泵浦光子激發(fā)。受激發(fā)射光子將以與泵浦光子相同的偏振態(tài)發(fā)射。在沒(méi)有偏振選擇光學(xué)器件（例如偏振器和波片（也稱(chēng)為延遲器））的情況下，光將是非偏振的并且不適合于某些應用。此外，由于包含布儒斯特板或所涉及的任何其他光學(xué)部件的輕微未對準，諧振器中的損耗可能是偏振激光發(fā)射變化的原因。

偏振消光比（PER）（PER）可用于確定通過(guò)器件或系統（例如激光腔）傳播后的偏振度。它是主偏振模式的光功率與正交偏振模式的光功率之比，其中這些模式中的每一個(gè)彼此垂直。這些極化通常被稱(chēng)為T(mén)E（橫電）和TM（橫磁）。Perper通常表示為兩個(gè)正交偏振態(tài)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激光系統的PERPER為100：1，而線(xiàn)性偏振Lumentum高性能氦氖激光器的PERPER為500：1。Perper也可以用分貝表示，其計算公式為：

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反射率的偏振依賴(lài)性

單個(gè)光波由構成p偏振態(tài)和s偏振態(tài)的兩個(gè)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(guān)重要的。對于p-偏振光，電場(chǎng)平行于界面的入射面，而對于s-偏振光，電場(chǎng)垂直于入射面（圖1）。

圖1：S-偏振和P-偏振的描述，它們是由它們相對于入射平面的方向定義的線(xiàn)性偏振。該圖還顯示了布儒斯特角，在該角度下，沒(méi)有p偏振光在光學(xué)界面上反射。

當通過(guò)引入布魯斯特角來(lái)處理兩種介質(zhì)之間的界面處的光傳播時(shí)，理解這一點(diǎn)很重要。布儒斯特角是一個(gè)入射角，在該入射角處，p偏振光透射通過(guò)，而s偏振光在未涂覆的光學(xué)表面處被部分反射（圖2）。該概念應用于激光腔中，以完/全傳輸光的p偏振分量，并通過(guò)反射為s偏振分量引入損耗。布儒斯特角可以由光傳播通過(guò)的入射介質(zhì)（N1）（N1）和另一介質(zhì)（N2）（N2）的折射率來(lái)確定。

(2) 

圖2：空氣-玻璃光學(xué)界面的菲涅爾反射率與入射角的關(guān)系。對于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(zhù)入射角的增加而穩定增加。

有許多光學(xué)元件利用布儒斯特角的概念用于有用的應用。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(xué)損耗傳播通過(guò)透明窗口時(shí)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(guò)的損耗小于1%。當布儒斯特窗口被小心地放置在管的每一側時(shí)，空氣-玻璃界面處的反射率對于p偏振光來(lái)說(shuō)是標稱(chēng)的，這證明它有利于防止諧振器內殘余反射的干涉效應（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?yōu)閜偏振。

圖3：He-Ne激光器的激光系統，其中兩個(gè)布儒斯特窗口在激光諧振腔內具有相同的取向。p-偏振光被顯著(zhù)透射，引起激光發(fā)射的總體p-偏振取向。

與布儒斯特窗類(lèi)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，與布魯斯特窗口不同，該板由共面表面組成。板引入了與板的厚度成比例的光束位置的平行移動(dòng)（圖4）。布儒斯特板經(jīng)常應用于體激光器的激光諧振腔中，它會(huì )引入S分量的偏振損耗，并迫使激光束獲得穩定的線(xiàn)偏振。

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

另一方面，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(guān)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(chǎn)生對稱(chēng)光斑，而線(xiàn)偏振光束聚焦成沿偏振方向延伸的細長(cháng)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

偏振激光輸出可用于激光光學(xué)工業(yè)中的許多有用應用中。

偏振合束

也稱(chēng)為偏振耦合，該技術(shù)疊加多個(gè)線(xiàn)性偏振激光束，并可分為兩個(gè)子類(lèi)：相干和非相干偏振組合。

在相干偏振組合的情況下，兩個(gè)相干光束的正交偏振態(tài)疊加，產(chǎn)生純線(xiàn)性激光發(fā)射（圖5）。這僅在兩個(gè)注入光束是正交線(xiàn)性偏振的且相位差為δ=nπδ=nπ時(shí)才是可能的，其中NN是整數。由于該輸出，該技術(shù)可以重復多次以增加激光發(fā)射的總功率，這也被稱(chēng)為功率縮放。該技術(shù)用于功率放大器激光系統。

圖5：當兩個(gè)相干激光束通過(guò)偏振光束組合器（PBC）傳播時(shí)，它們被組合以產(chǎn)生新的線(xiàn)性偏振輸出光束。

非相干偏振組合涉及通過(guò)偏振光束組合器（PBC）發(fā)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(shù)涉及偏振輸入光束和非偏振發(fā)射，因此不適用于可重復的功率縮放。例如，一個(gè)垂直偏振光束和一個(gè)水平偏振光束可以通過(guò)薄膜偏振器發(fā)送，導致光束之一被反射而另一個(gè)被透射，兩個(gè)光束在相同方向上傳播。

非相干合束可以應用于端面泵浦固態(tài)激光器，其中泵浦光沿著(zhù)光束的方向而不是橫向注入。由可以在兩個(gè)偏振方向上吸收泵浦輻射的諸如Nd：YAG的材料制成的激光晶體可以利用該技術(shù)。例如，由以發(fā)射器的2D陣列布置以產(chǎn)生多千瓦輸出功率的多個(gè)二極管條組成的二極管激光器堆遭受比單個(gè)二極管條的整體亮度更低的整體亮度。非相干偏振光束組合可以應用于疊層以提高亮度，這反過(guò)來(lái)又泵浦高功率固態(tài)體激光器。

雙折射

雙折射描述了發(fā)生在某些透明介質(zhì)中的光學(xué)特性，其中折射率取決于光的偏振，從而導致光在材料中發(fā)生雙折射。這種現象可能是由許多因素引起的，包括介質(zhì)的晶體結構、材料固有的或誘發(fā)的應力場(chǎng)，以及額外電磁場(chǎng)的應用。

這種特性在稱(chēng)為雙折射調諧器的裝置中得到利用，雙折射調諧器使傳輸的光學(xué)帶寬變窄，并反射傳播的腔內激光束的其它波長(cháng)的光。調諧器以布儒斯特角放置，然后繞垂直于表面界面的軸旋轉，以在變窄的透射波長(cháng)處引起延遲。感興趣的波長(cháng)僅表現出p偏振分量，導致最小的或沒(méi)有反射損耗。相反，其他波長(cháng)受到不同的延遲，變?yōu)閟偏振，并經(jīng)歷反射損耗。調諧器的傾斜角度會(huì )影響波長(cháng)的偏移，以使功率損失最小，并在配備有千分尺螺釘的支架上進(jìn)行調整，以進(jìn)行精確修改。

入射角為布儒斯特角的單板調諧器能夠通過(guò)激光束的s偏振分量的傳輸損耗產(chǎn)生波長(cháng)相關(guān)的偏振變化。調諧器越厚，自由光譜范圍越小，該自由光譜范圍定義了兩個(gè)透射最大值之間的光譜間隔，并提供更好的光譜分辨率。傳播的激光束在濾波器內經(jīng)歷與其尋常光線(xiàn)和非常光線(xiàn)稍微不同的傳播，其中前者不變地通過(guò)，而后者以一定角度折射。這導致雙折射和對輸出光束的不均勻重疊貢獻。繞垂直于表面的軸旋轉調諧器會(huì )改變傳輸曲線(xiàn)，并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(gè)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，通過(guò)增加板的厚度，自由光譜范圍減小，并且波長(cháng)范圍上的透射最小值移動(dòng)得更近。為了進(jìn)一步增加不需要的波長(cháng)的反射損耗，可以在板之間插入偏振器。這種具有一定限制板厚度的配置成為所謂的Lyot去偏振器，其對入射的多色偏振光進(jìn)行去偏振。

倍頻

非線(xiàn)性偏振的概念在倍頻光纖激光器領(lǐng)域開(kāi)始發(fā)揮作用。在使用Nd：YAG和其他非線(xiàn)性晶體作為激光介質(zhì)的某些激光器中，倍頻產(chǎn)生的波的光頻率是泵浦光的兩倍。