如何规划光的偏振方向让光沿同一方向振动

前面讲过偏振这回事：光是横波，振动有方向。自然光里各个方向都有，而线偏振只在一个方向上振。道理讲通了，接下来的问题很实际——怎么把偏振的方向规划好，让光按同一个方向振起来。

这一类元件统称偏振光学元件，名目不少：偏振片、偏振分束器、波片、旋转器、退偏器。它们干的事各不相同，但思路只有两条：要么筛掉不想要的，要么让两个方向错开一步。

这一篇顺着这两条思路走一遍，顺便说说各自的脾气和容易踩的坑。

一、偏振片：吃掉一个方向，留下另一个

最直白的做法是筛。偏振片只让一个方向的电场通过，垂直方向的被吃掉。

吸收型偏振片里，长链分子被拉伸后整齐排列，掺的碘附着在链上形成导电通路。沿链方向的电场会驱动电子、把能量变成热耗掉；垂直方向没有这条通路，光就顺利通过。微观上的定向吸收，宏观上看就是一道栅栏。

图1：微观是定向吸收，宏观是一道栅栏

看偏振片，两个数是硬指标。透过率说的是想要的方向能过多少，越高越省光；消光比说的是不想要的方向被压掉多少，越大越干净。两者往往此消彼长，做得又亮又干净的通常不便宜。

三种常见做法各有脾气。吸收型便宜、接收角大，但怕热，强光一照容易坏；介质膜型损伤阈值高，代价是接收角小、贵；线栅型适合红外波段，工艺难，也不便宜。

顺带说一句损伤阈值。吸收型偏振片的软肋就在这里：不想要的那一路光并没有消失，而是变成了热。功率一大，热量散不出去，片子就会发黄、起泡甚至烧穿。所以用在激光后面时，宁可多花点钱上介质膜型，也别拿吸收片硬扛。

二、分束器：不吃掉，而是分成两路

偏振片把不想要的那一路扔掉了。若两路都要用，就得换偏振分束器（PBS）——它不吸收，而是把一个偏振方向透射、另一个反射，两路都留着。

图2：一束进，两束出

常见结构有三种。立方体型是两块直角棱镜胶合，中间镀介质膜，用得最-广；薄膜型就是一片斜置的膜，轻且便宜；双折射型靠晶体把两束光分开，消光比能做到极-高，代价是贵、而且两束分得比较开。

选分束器除了消光比，还要看两件事：两路各自的效率（都要亮度就得挑效率高的），以及接收角（斜着入射时性能会掉，膜系设计决定了容忍度有多大）。另外介质膜是按波段设计的，换个波长往往就不灵了。

还有一点容易被忽略：两只元件串起来用，消光比不是简单相加，而是各自漏光的叠加。前面一只漏一点、后面一只再漏一点，总的干净程度由最差的那一段决定。所以做高精度测量时，与其堆一堆普通元件，不如挑一只好的。

三、波片：不挑光，而是让两个方向错开一步

第三类元件不筛也不分，而是延迟。波片用双折射晶体做成，两个正交方向的光在里面走得快慢不同，出来时就错开了一段相位。

图3：错开 λ/4 还是 λ/2，效果完-全不同

延迟量 δ 由厚度与双折射率决定：δ = 2π · Δn · d / λ。δ 等于 π 的是半波片，等于 π/2 的是四分之一波片。

半波片转的是方向：入射线偏振的方向与快轴夹角为 θ，出射就转过 2θ——转 θ 出 2θ，这个翻倍关系跟反射镜是一个道理。光还是线偏振，只是方向变了。

四分之一波片则改的是形态：入射线偏振以 45 度入射，两路差 λ/4，正好合成圆偏振；反过来圆偏振经过它也能变回线偏振。前提是入射角必须正好 45 度，差一点就变成椭圆偏振了。

波片按做法分三种：多级的厚而便宜，但对波长与温度敏感；零级的薄、稳定得多，代价是贵且易碎；消色差的把不同材料叠起来补偿，宽波段都准，最贵也最复杂。

装波片有个小技巧：把它夹在两片正交的偏振片之间转动，视场会在某个角度变到最暗——这个位置就是轴与偏振方向重合的地方，从这儿转 45 度就得到需要的工作点。比起靠标记盲调，这个方法快也准。

四、拿到一只元件，先测这两样

元件买回来，头两件事是测消光比和找轴。

图4：正交时剩多少，极值处就是轴

测消光比的办法很朴素：前面加一只已知的起偏器，后面放待测元件，再接探测器。转动待测元件，输出会出现最亮与最暗两个位置，两者之比就是消光比。数值越大说明漏出来的越少、元件越干净。消光比常用 10·log 表示，几万分之一的泄漏大致就是 40 dB 上下。

找轴也是同一个动作：转动元件，输出出现极值的地方就是轴的方向。找到之后最好标个记号，免得下次又得重找一遍。

实测时有几个坑容易踩：光源本身若不是纯自然光，测出来的数会偏；探测器在最亮处饱和了，比值就算不准；元件自身的反射光混进暗的那一路，会让结果虚高；还有接收角——斜着测与正着测本来就不一样。

五、波片的脾气：波长与角度一变就不准

波片是这类元件里最娇气的。延迟量 δ 与波长成反比，波长一偏，λ/4 就不再是 λ/4。多级波片尤其明显，因为它靠许多倍的厚度差累积出来，偏差也被放大。

图5：波长与角度，都会改变延迟量

角度也是个麻烦。斜着入射时，光穿过晶体的实际距离变长，有效延迟量跟着变。所以波片尽量正入射，倾斜角控制在几度以内。

温度同样躲不掉——双折射率本身会随温度漂移。材料选择因此很关键：石英温度系数小，稳定性好，最-常-用；方解石双折射大，可以做得很薄；聚合物便宜、能做大尺寸，但对温度敏感。

用波片的经验也就这几条：按设计波长用，换波长就换波片别将就；尽量正入射；装之前先把快慢轴标清楚。

六、还有几位：旋转、退偏与保偏

主力说完了，剩下几位各有各的用场。

法拉第旋转器靠磁场转偏振方向，妙处在于这个旋转方向与光往哪边走无关——来回两次不是抵消而是累加。这正是隔离器能做出来、而普通偏振器件做不到的根本原因。

退偏器干的事正好相反：把偏振打乱成近似自然光。有些系统对偏振敏感（比如光谱仪、某些探测器），入射光的偏振态一变读数就跟着变，加一只退偏器把这个影响抹平。

偏振保持光纤则负责把偏振态传下去。它内部刻意做出应力区，让两个正交模式传播常数差得足够大，不容易耦合。常见的做法是在纤芯两侧埋入应力棒，冷却时收缩产生各向异性的应力。需要注意的是：它只有两端都正确处理才有意义——接入时要把光的偏振方向对准其中一根应力棒的轴向，差几度消光比就掉下去；中间随便接一段普通光纤，前面的功夫更是全废了。

七、一张表：该拿哪只元件

把常用的偏振元件按用途归拢，大致是这样。

图6：该拿哪只元件

要取线偏振用偏振片，两路都要用就上分束器，转方向用半波片，变圆偏振用四分之一波片，宽波段要准就用消色差的。剩下的旋转器、退偏器、保偏光纤，各有各的专门场合。

还有一点值得留意：这类元件通常按波段分，可见、近红外、中红外各有一套，材料与镀膜都不一样。买的时候先确认波长，别拿到手才发现对不上。

八、总结

名目看着繁多，思路其实就两条，记住了就不会乱。

偏振片与分束器做的是筛与分——一个吃掉不要的方向，一个把两个方向分开都留着；

波片做的是延迟，让两个方向错开一步，从而把偏振态改掉：λ/2 把线偏振转个方向，λ/4 把它变成圆偏振；

而挑元件时最该盯住的是波长、消光比与损伤阈值——波长不对，一切都免谈。

有意思的是，这类元件出问题，大半不是原理没搞懂，而是细节没留意：波长偏了、角度斜了、轴没找准、强光把片子照坏了。真正需要推导公式的场合反而不多。

下次遇到偏振方向出问题，不妨先查这几样：波长对不对、角度正不正、消光比够不够。多半就在这几步里找到答案。