偏振在激光应用中的重要性
作者: Hayden Kim
光是一种电磁横波，可以理解为一组振荡电场与磁场的组合。光波中的电场方向表述为光的 偏振。包括自然光、卤素灯和LED阵列光在内的许多光源都可以视为无偏振光，因为它们的电场方向随着时间变化有随机扰动。另一方面，激光光源大多数为线偏振光。
在许多应用场景下，理解激光的偏振特性都非常重要，因为偏振影响反射系数，激光光束的聚焦特性，和其他对激光器终端应用产生影响的光学特性。因为大多数激光光源都是线偏振的，因此其他偏振类型的光也可以由以此产生，如圆偏振、椭圆偏振、和径向偏振光。偏振的基础理论在我们的 偏振光学应用简介中被介绍过，但这个简介太过深入于这些激光概念的特殊应用中。
激光光源的偏振
激光的偏振状态是由激光器增益介质或者谐振腔的各向异性机制决定的。“各向异性”是指，随着方向变化数值跟着一起变化的物理特性。一个激光器的增益介质可能是偏振相关的，如使用各向异性激光晶体和半导体光放大器的情况。在介质内，入射泵浦光子激励产生辐射。受激辐射光子的偏振态与激发光的偏振态相同。在没有 偏振片 和波片 （也叫做相位延迟片）等起偏元件的情况下，光处于非偏振态且不适用于某些应用。此外，谐振器中布鲁斯特板的损耗或任何其他光学元件的轻微偏差都可能导致出射偏振激光的变化。
偏振消光比 $ （\left( \text{PER} \right) $ 看可以用来定义光经过一个设备或者系统后的偏振度，例如激光腔。它是主偏振态和正交偏振态的光功率之比，主偏振态与正交偏振态的偏振方向相互垂直。偏振态通常用TE（横电模）和TM（横磁模）表示。$ text{PER}通常表示为两个相互垂直的偏振态的比例（例如100：1，表示主偏振态光光强是正交偏振态光光强的100倍）。例如，Coherent® 高性能 OBIS™ LX/LS 激光系统 的$ \text{PER｝为 100:1，而线性偏振的 Lumentum 高性能氦氖激光器的 $ \text{PER} $是 500:1。$text{PER}$ 也可以用分式表示，以方便运算。
偏振相关的反射系数
一个光波包含两个相互独立，垂直的部分，由p-偏振和s-偏振态组成，这个性质在一些利用光的偏振态来调制反射率与透射率的应用中尤为关键。对于p-偏振光来说，电场方向平行于入射平面，而s-偏振光的电场方向垂直于入射平面 （图 1）。
图 1: s-偏振和p-偏振，是一种基于入射平面定义的两种偏振方向。图中也展示了，在入射角为布儒斯特角时，p-偏振在平面无反射的情况。1。
引入布儒斯特角后，在处理光在两种介质界面上的传播时，理解这一点非常重要。布儒斯特角是一个在未镀膜光学平面上的特殊入射角，此角度下，p-偏振光直接透射，而s-偏振光被部分反射 （图 2）。这一理念被引入激光谐振腔中，使得p-偏振光能够无损耗地在腔内传播，而在多次反射地过程中对s-偏振光引入损耗。布儒斯特角可以根据光传播时所通过的入射介质 $ \left( n_1 \right) $ 和另一种介质 $ \left( n_2 \right) $ 的折射率来确定。
图 2: 空气-玻璃光学界面上的菲涅尔反射系数随入射角变化情况。对于p-偏振来说，反射系数在布儒斯特角处衰减至0（此处是-56°），而s-偏振的反射系数随着入射角度增大稳定增强。8
很多光学元件利用了布儒斯特角这一概念来进行实用的应用。布儒斯特窗是在布儒斯特角为入射角时使用的，一种透明光学平板，用来让光束以最小的光学损耗通过透明窗。例如，由密封玻璃管和一组平凸透镜组成的氦氖（He-Ne）激光器。光线每次经过玻璃管两侧端面的透明窗口时，需要1%以下的光学损耗。当布鲁斯特窗被精密地安装在玻璃管的两侧时，p -偏振光在空气-玻璃界面上的反射率变为很小，这证明了它对防止谐振腔内来自残余反射的干涉效应有益（图 3）。p-偏振和 s -偏振之间损耗的巨大差异会使得激光器输出成为p-偏振光。
图 3: 氦氖激光器的激光谐振器内有两个偏振方向相同的布鲁斯特窗。p-偏振发生显著的透射，使得激光器的输出整体上呈现p-偏振的取向。
与布儒斯特窗类似的还有布儒斯特板，它通常被插入偏振激光中，提高透射光的 p- 偏振度。不过，与布鲁斯特窗不同的是，布儒斯特板是由共面平板组成的。布儒斯特板引入了光束位置相对于平板厚度成比例的平移 （图 4）。布鲁斯特板通常用于体激光器的激光谐振器中，它为 s 分量引入偏振损耗，并迫使激光束达到稳定的线性偏振。
图 4: 当激光束在接近布儒斯特角的入射角通过布儒斯特板时，由于反射损耗，最终透射光束为p-偏振，而反射光束为s-偏振。
另一方面，零级相移反射镜上p-偏振光与s-偏振光有相同反射率。这维持了入射激光地偏振态
偏振态相关 f 激光聚焦
激光光束的偏振态影响了它自身的聚焦性质。Qinggele等人于2015年的研究工作指出，聚焦的圆偏振光会产生对称的衍射极限聚焦光斑，而线偏振光会产生在偏振方向上拉伸的聚焦光斑。9 这些影响很微弱并且在很多应用中可以忽略，但是在精密应用中需要考虑以尽可能获得衍射极限的聚焦光斑。
偏振光学在激光光学中的应用
偏振激光输出在激光光学产业中有许多有用的应用。
偏振光合束
也被叫做偏振光耦合，这个技术将多个线偏振激光光束叠加在一起，并可以被分为两种技术类型：相干和不相干偏振合束。
相干偏振光合束情况下，两个偏振态正交的相干光束被叠加，最终出射线性偏振激光（图 5）。这种技术只有在两个入射光偏振方向正交，且有固定的 $ \delta = n \pi $相位差，其中 $ n $ 是整数时才可行由于上述输出光特性，该技术可以进行多次重复，以提高激光发射的总功率，这也被称为功率放大。这个技术也被用在激光系统中的功率放大部分。
图 5: 两束相干激光通过偏振合束器（PBC）时，将产生新的线性偏振输出光束。5
非相干偏振合束是指将不同偏振态的光束通过偏振合束器 (PBC)，获得一束非偏振光束，获得入射光束光强之和的出射光强，亮度几乎加倍。这个技术包含了偏振光束入射和非偏振出射，因此不能重复利用并产生功率放大。例如，一束垂直方向偏振光与一束水平方向偏振光可以同时入射薄膜偏振片，最终一束光被反射而另一束透射，且它们在同一直线上传播。
非相干光合束可以在固体激光器中用来终止泵浦，其中泵浦光从激光方向入射，而非垂直方向。使用 Nd:YAG 等可以同时吸收两个偏振方向的泵浦辐射的材料，制成的激光晶体可以利用这种技术。例如，激光二极管堆栈，一种由多个激光二极管按照二维阵列的方式堆叠而成来产生数千瓦输出功率的器件，这种器件的总体亮度受限，并低于单个激光二极管的亮度。非相干偏振光合束技术可用于二极管堆，以提高亮度，最终用于泵浦高功率固态体激光器。
双折射
双折射现象描述了在一些透明介质中折射率取决于入射光偏振态的光学现象，这种现象最终导致了光在材料中发生双折射。多种条件可以产生这种现象，包括介质的晶体结构，金属中的本征（或者人为引入的）压力场，和施加外加电磁场。
这种特性被用于称为双折射调谐器的设备中，它可以缩小光传输使用的带宽，并反射腔内激光束传播的其他波长的光。将调谐器置于布儒斯特角，然后绕垂直于表面界面的轴线旋转，从而在缩小了的传输波长带宽内产生延迟。波长只与p-偏振显性相关，因此反射损耗极小或没有反射损耗。与之相对的，其他波长会受到不同程度的延迟，变成 s- 偏振，并产生反射损耗。调谐器的倾斜角度会影响最小损耗中心波长的偏移，并可在装有高精度调节支架上进行调整，以实现精确调节。
入射角为布鲁斯特角时，单块调谐器能够通过引入激光束 s -偏振光的传输损耗，来产生随波长变化的偏振变化。调谐器越厚，自由光谱范围就越小，自由光谱范围定义了两个传输最大值之间的光谱间隔，并提供更好的光谱分辨率。O光和E光在通过滤光片时的行为略有不同，前者通过时没有任何变化，而后者则会发生一定角度的折射。这会导致双折射并在输出光束中出现，由于光斑重叠所导致的光强不均匀性。围绕垂直于表面的轴线旋转调谐器会产生透射曲线上的偏移，并不可避免地改变光E光传播方向。
双折射调谐器也可以用多个布儒斯特板制成。额外的布儒斯特板允许激光在最小损耗条件目标下工作。这是因为，通过提高布儒斯特板的厚度，自由光谱范围缩小并且范围内的透射最小值点会相互靠近。为了进一步提高多余波长的折射损耗，可以在平板之间插入偏振片。这种构型在特定布儒斯特板厚度限制下，被称为 Lyot 消偏振器，这种器件可以消除多波长入射偏振光的偏振性。
倍频
在倍频光纤激光器领域中，非线性偏振的概念出现了。某些激光器使用 Nd:YAG 和其他非线性晶体作为激光介质，倍频产生光的频率是泵浦光的两倍。
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参考文献：
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