非偏振分束应用案例
1. 分光和合束
非偏振分束用于将入射光分成两束或多束具有相同波长的光束,反射或透射光束由分光比指定,即反射光与透射光之比(R:T)。大多数非偏振分束可分为两种:平板分束镜和立方分束镜。

图一 非偏振分束元件应用示意图
2. 干涉应用
在干涉应用中,常使用非偏振分束镜来进行单色光的分束与合束,最终在相机上形成稳定强弱分布的干涉条纹,利用光程差或干涉条纹等变化,进行尺寸、形貌、粗糙度、折射率等物理量的探测。


图二 干涉仪应用示意图
Mach-Zehnder干涉仪(左图)和Michelson干涉仪(右图)是两种常用的光学仪器,用于测量光的相干性和相位变化,但各有不同的设计和应用。Mach-Zehnder干涉仪通过一个分束器将光束分成两个独立的光路,这两条路径在经过不同的路程后再通过另一个分束器合并,使得光路可以完全独立地调整和修改,适用于需要高灵敏度和精细调节的科研、传感器和通信领域。Michelson干涉仪则通过一个分束器分出两条光路,这两条光路在一个共同点合并并产生干涉,其中一条光路通常固定,另一条可以调节长度,适用于天文学、基础物理实验等需要简单可靠设备的场合。
3. 光束监测
在光束监测应用中,常使用分光比(如1:99、10:90等)不等的非偏振分束镜来进行分光,将小功率的出射光作为监测光使用,用于排除光源或环境的影响;或用于反馈系统,利用监测光束的变化,便于对系统进行实时调节。

图三 光束监测应用示意图
4. 合束应用
激光显示系统主要由三基色激光光源、光学引擎和屏幕三部分组成。光学引擎则主要由红绿蓝三色光阀、合束X棱镜、投影镜头和驱动光阀组成,光阀驱动使光阀上分别生成红、绿、蓝三色对应的小画面,然后分别引入三色激光照明投影到屏幕上,即产生全色显示图像。充当光阀及驱动源的可以是各种微型显示系统、如LCD,LCoS,DMD,GLV等。其工作下图所示:红、绿、蓝三色激光分别经过扩束、匀场、消相干后入射到相对应的光阀上,光阀上加有图像调制信号,经调制后的三色激光由X棱镜合色后入射到投影物镜,最后经投影镜头投射到屏幕,得到激光显示图像。

图四 合束应用示意图
非偏振分束立方
一、定义
两个直角棱镜胶合而成,其中一个棱镜斜面上镀有分光膜(黑点表示该棱镜有分光膜),一束光垂直入射非偏振分束立方后(如图1所示),经过分光膜时,会按照一定比例将光束分为两束,一束反射,一束透射,两束光可按照不同分光比分束。

图1 非偏振分束立方光路示意图
二、特点
1、表面低反射率
2、工作波长:400 nm-700 nm,700 nm-1100 nm,1100 nm-1600 nm
3、分光比(R:T):90:10,70:30,50:50,30:70,10:90
4、边长尺寸:5 mm、10 mm、12.7 mm、20 mm、25.4 mm、50.8 mm
三、说明
LBTEK非偏振分束立方,一个棱镜上镀有介质分光膜,这种分光膜为非导体,光在传播过程中不会产生焦耳热,介质膜对光无吸收。建议光束垂直入射到非偏振分束立方,其他角度入射分光比会有明显变化。由于棱镜结构为三角形,相比平板分束镜能明显减小鬼影。
LBTEK非偏振分束立方有4个入射面(S1、S2、S3、S4)均可镀增透膜,降低光在表面传输的反射率,提高传输的透射率。
LBTEK选择使用N-BK7材料制作多种尺寸偏振分束器。所有光学元件精细加工,严格管控质量。保证以合理的价格为用户提供高质量的光学产品。
四、分光膜
分光膜是根据一定要求和一定方式把光束分成两部分的薄膜,常见分光膜主要有波长分光膜、光强分光膜和偏振分光膜几类。非偏振分束立方中的分光膜属于光强分光膜,将光束分成指定光强比的两部分,两束光的光谱成分相同,即它在一定的波长区域内对各波长具有相同的透反比。
分光膜根据膜层材料的不同也可分为金属分光膜和介质分光膜。金属分光膜光谱范围宽,偏振效应小,但吸收大,激光阈值低;介质分光膜吸收小,几乎可以忽略,光谱范围较窄。需要注意的是无论何种材质制作分光膜,都需要考虑实际使用时的角度范围。分光膜通常是倾斜使用的,在分束立方中对于分光膜的入射角一般为45°。
非偏振分束立方的分光比一定程度上会受到偏振的影响。不同偏振态或者不同偏振方向的光入射时,分光比会不一样。因此,常用|Ts - Tp|和|Rs - Rp|来反映的偏振方向对透过率和反射率带来的影响,该值越小说明偏振方向对其影响就越小。一般来说,非偏振分束立方的|Ts - Tp|、|Rs - Rp|能够控制在10%以内。
五、增透膜
增透膜是一种硬质耐热的氧化膜,光学器件镀膜后在特定波长范围内的反射可以做到最小,通常要求镀膜的厚度必须是设计波长的1/4奇数倍,这种设计使得相邻两个反射面的反射光束之间有一个半波长的路径差,从而减小反射的影响。LBTEK公司常用的增透膜材料为氟化镁(n=1.38),也可以定制镀其他增透膜材料。
光学系统在没镀膜的情况下,每个光学表面由于反射会有大约4%(反射率:((n-1)/(n+1))^2,n为材料的折射率,1为空气折射率)的光能量的损失。一个光学系统中,若有N个透镜未镀膜,损失的光能量为(1-0.96^(N×2))×100%,如果在每个光学器件表面镀增透膜(N-BK7基材400 nm-700 nm平均反射率小于0.4%,700 nm-1100 nm平均反射率小于0.3%,1100 nm-1650 nm平均反射率小于0.6%),采用镀A膜(400 nm-700 nm)的N个透镜,光经过N个镀A膜的透镜后,光能量损失为:(1-0.996^(N×2))×100%,若一个光路系统用了4个透镜,未镀膜透镜损失的光能量为:27.9%,而经过A膜后光能量损失小于3.2%,因此,镀增透膜能够明显提高透射率,降低光经过透镜表面产生的光能量损失。