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和磁場組成的橫電磁波。光波中電場的方向由光的偏振來描述。包括太陽光、鹵素燈和LED聚光燈在內的許多光源被認為是非偏振的，因為它們的電場方向在時間上隨機波動。另一方面，激光源通常是線性偏振的。

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行為。雖然大多數激光源是線性偏振的，但也可以產生其他類型的偏振，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

激光的偏振狀態由激光增益介質或諧振腔的幾種各向異性機制決定。“各向異性"是指其值在不同方向上變化的性質。激光增益介質可以是偏振相關的，如一些各向異性激光晶體和半導體光學放大器的情況。在該介質內，發射由進入的泵浦光子激發。受激發射光子將以與泵浦光子相同的偏振態發射。在沒有偏振選擇光學器件（例如偏振器和波片（也稱為延遲器））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部件的輕微未對準，諧振器中的損耗可能是偏振激光發射變化的原因。

偏振消光比（PER）（PER）可用于確定通過器件或系統（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彼此垂直。這些極化通常被稱為TE（橫電）和TM（橫磁）。Perper通常表示為兩個正交偏振態的比率（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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反射率的偏振依賴性

單個光波由構成p偏振態和s偏振態的兩個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重要的。對于p-偏振光，電場平行于界面的入射面，而對于s-偏振光，電場垂直于入射面（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性偏振。該圖還顯示了布儒斯特角，在該角度下，沒有p偏振光在光學界面上反射。

當通過引入布魯斯特角來處理兩種介質之間的界面處的光傳播時，理解這一點很重要。布儒斯特角是一個入射角，在該入射角處，p偏振光透射通過，而s偏振光在未涂覆的光學表面處被部分反射（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的入射介質（N1）（N1）和另一介質（N2）（N2）的折射率來確定。

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圖2：空氣-玻璃光學界面的菲涅爾反射率與入射角的關系。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偏振的反射率隨著入射角的增加而穩定增加。

有許多光學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損耗傳播通過透明窗口時使用。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，空氣-玻璃界面處的反射率對于p偏振光來說是標稱的，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為p偏振。

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

與布儒斯特窗類似的是布儒斯特板，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（圖4）。布儒斯特板經常應用于體激光器的激光諧振腔中，它會引入S分量的偏振損耗，并迫使激光束獲得穩定的線偏振。

圖4：當激光束以接近布儒斯特角的入射角通過布儒斯特板時，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生對稱光斑，而線偏振光束聚焦成沿偏振方向延伸的細長光斑。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工業中的許多有用應用中。

偏振合束

也稱為偏振耦合，該技術疊加多個線性偏振激光束，并可分為兩個子類：相干和非相干偏振組合。

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

圖5：當兩個相干激光束通過偏振光束組合器（PBC）傳播時，它們被組合以產生新的線性偏振輸出光束。

非相干偏振組合涉及通過偏振光束組合器（PBC）發送不同偏振的光束，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。該技術涉及偏振輸入光束和非偏振發射，因此不適用于可重復的功率縮放。例如，一個垂直偏振光束和一個水平偏振光束可以通過薄膜偏振器發送，導致光束之一被反射而另一個被透射，兩個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激光器，其中泵浦光沿著光束的方向而不是橫向注入。由可以在兩個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。例如，由以發射器的2D陣列布置以產生多千瓦輸出功率的多個二極管條組成的二極管激光器堆遭受比單個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，這反過來又泵浦高功率固態體激光器。

雙折射

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

這種特性在稱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帶寬變窄，并反射傳播的腔內激光束的其它波長的光。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處引起延遲。感興趣的波長僅表現出p偏振分量，導致最小的或沒有反射損耗。相反，其他波長受到不同的延遲，變為s偏振，并經歷反射損耗。調諧器的傾斜角度會影響波長的偏移，以使功率損失最小，并在配備有千分尺螺釘的支架上進行調整，以進行精確修改。

入射角為布儒斯特角的單板調諧器能夠通過激光束的s偏振分量的傳輸損耗產生波長相關的偏振變化。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歷與其尋常光線和非常光線稍微不同的傳播，其中前者不變地通過，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改變傳輸曲線，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，通過增加板的厚度，自由光譜范圍減小，并且波長范圍上的透射最小值移動得更近。為了進一步增加不需要的波長的反射損耗，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行去偏振。

倍頻

非線性偏振的概念在倍頻光纖激光器領域開始發揮作用。在使用Nd：YAG和其他非線性晶體作為激光介質的某些激光器中，倍頻產生的波的光頻率是泵浦光的兩倍。