光的偏振基础理论

偏振态核心分类

1. 线偏光：电场振动方向固定，可拆解为相位一致的两束正交电场。
2. 圆偏光：电场振动轨迹呈圆形，由振幅相等、相位差 90° 的两束垂直平面波叠加而成。
3. 椭圆偏光：电场振动轨迹为椭圆，正交电场的相位差无固定值，是最普遍的偏振态。
   
   
   

偏振态表征体系

1. 关键参数：方位角（ψ）描述偏振方向，椭圆度（χ）反映振动轨迹偏离圆形的程度。
2. 斯托克斯参数集：S₀（总光强）、S₁（垂直线偏 - 水平线偏分量差）、S₂（45° 线偏 - 135° 线偏分量差）、S₃（右旋圆偏 - 左旋圆偏分量差），完整描述偏振特性。
3. 偏振度（DOP）：量化光束中偏振成分占总光强的比例，是偏振特性的核心评价指标。
4. 平面表示；邦加球表示。
   
   

偏振调控核心器件

偏振片

1. 功能定位：筛选特定方向的线偏光，核心类型包括薄膜偏振片、线栅偏振片、双折射晶体偏振片。

2. 关键性能参数

消光比（ER）：偏振轴方向最大透过率与正交方向最小透过率的比值，直接决定偏振筛选效果。

透过率：偏振轴方向的透光效率，镀增透膜可显著提升。

损伤阈值：区分 Pass（允许通过）和 Block（阻挡）状态，表征承受激光功率 / 能量密度的极限。

辅助参数：波前误差（光束透过前后的波前畸变）、平行度（前后表面平行程度）、偏振轴标记（白线或点标识）。

1. 主流类型性能对比

波片

1. 核心功能：调控光的偏振态，通过改变光束相位延迟实现偏振态转换。
   

2. 主要类型：消色差波片、零级波片、低阶波片、多级波片，适配不同波长与精度需求。

3. 典型应用场景

**1/2 波片：**旋转线偏光的振动方向，不改变偏振态类型。

**1/4 波片：**将线偏光转换为圆偏光，或反之，是偏振态转换的核心器件。

1. 关键参数：延迟量（决定偏振态转换效果）、半波电压（VT），影响调控精度与效率。
   

保偏光纤

1. 工作原理：通过应力棒（熊猫型为圆柱形，领结型为梯形棱镜）施加定向应力，在纤芯内形成双折射效应，维持入射光的偏振态稳定。
   

2. 结构组成：纤芯（信号传输核心）、包层（光约束层）、涂覆层（保护与绝缘），含明确的快轴与慢轴标识。

光隔离器

1. 用于单向传输光信号、隔离反向光，避免反向光对光源（如激光器）的稳定性造成干扰，是光学系统中控制光传输方向的关键器件。
   

2. 两种光隔离器的实现方案

法拉第旋光器 + 偏振片组合

核心元件：法拉第旋光器（利用磁光晶体的非互易性，使光的偏振方向旋转固定角度，如 90°）、偏振片

正向模式：入射偏振片→法拉第旋光器（偏振方向旋转 90°）→出射偏振片（与旋转后的偏振方向匹配，光可通过）

反向模式：反向光经出射偏振片→法拉第旋光器（偏振方向继续旋转 90°，总旋转 180°）→入射偏振片（与偏振方向垂直，光被阻挡）

偏振分束镜 + 1/4 波片组合

核心元件：偏振分束镜（PBS）、1/4 波片、反射镜

正向：线偏振光经偏振分束镜→1/4 波片（转为圆偏振光）→反射镜反射后再次通过 1/4 波片（转回线偏振光，但偏振方向垂直于入射态）→偏振分束镜（与初始偏振方向垂直，可通过）

反向：反向光经偏振分束镜→1/4 波片→反射镜→再次通过 1/4 波片后，偏振方向与正向入射态平行→被偏振分束镜反射隔离

1. 光隔离器的应用场景：1.激光系统：保护激光器免受反向光干扰，提升输出稳定性；2.光纤通信：减少光路中反射信号对发射端的影响；3.光学测试：避免测试设备的反射光干扰被测器件

偏振技术

光纤通信中的复用技术

1. 波分复用（WDM）：利用不同波长承载独立信息，需复用器与解复用器配合，提升传输带宽。
2. 空分复用（SDM）：通过多根光纤或单根光纤的不同模式传输信息，拓展传输通道。
3. 时分复用（TDM）：基于时间轴分割实现多路信号并行传输，提高时间资源利用率。
4. 偏振复用（PDM）：利用正交偏振态传输信息，可与其他复用技术结合，使传输容量扩大 2n 倍（n 为偏振态对数）。

偏振相关器件的性能影响

1. 反射镜：反射对偏振态的影响与入射角相关（15°、45°、50° 差异显著），金属膜与介质膜反射特性不同。
2. 非偏振分束镜：分光比受偏振态（S 偏振、P 偏振）影响，需根据偏振特性优化使用场景。
3. 衍射光栅：衍射效率依赖偏振方向（平行 / 垂直），波长与偏振态共同决定衍射效果。

偏振片标定方法

1. 误差来源：偏振片标记轴与实际偏振轴存在偏差，需通过标定消除。
2. 标定原理：依据马吕斯定律，通过测量输入输出光功率，计算实际偏振轴方向，确保测量准确性。
   

光功率 / 能量测量系统

探测器类型及工作原理

探测器材料与波长适配

探头分类

1. 通用型探头（如 S120C、S121C）：适用于常规自由空间功率测量，波长覆盖 400~1100nm，功率范围 50nW~500mW。
2. 特殊场景探头：超薄型（S130C、S132C）：适配 30mm 笼式系统等狭小空间，支持双量程测量。紧凑型超薄型（S116C）：专为 16mm 笼式系统设计，探测面积 6mm。大面积型（S170C）：18mm×18mm 探测面积，适配显微镜样品平面测量。积分球传感器（S140C、S145C）：无背向反射光，适配高功率、发散光束测量。光纤传感器（S150C、S155C）：针对光纤功率测量与现场应用，波长覆盖 350~1700nm。

探头的常用关键参数

波长范围：限定探头能有效测量的光波长区间，需与待测光源波长匹配（如 Si 探头适配 200~1100nm）

分辨率：探头可区分的最小功率 / 能量变化量，决定测量的精细程度

测量不确定性：测量结果与真实值的偏差范围，反映测量精度

光功率范围：探头可准确测量的连续光功率区间，需覆盖待测光功率量级

光能量范围：针对脉冲光源的能量测量区间，适配脉冲光场景

最大平均功率密度：单位面积可承受的最大连续光功率，避免光斑过密损坏探头

最大脉冲能量：单个脉冲可承受的最大能量，脉冲光源需低于此值

最大脉冲能量密度：单位面积可承受的最大脉冲能量，与光斑尺寸共同决定安全阈值

最大功率密度（2 分钟内）：2 分钟可承受的最大功率密度，属于短时过载阈值

最大功率密度：长期稳定工作的最大功率密度，日常使用需低于此值

最大平均功率：探头可长期承受的最大连续光功率，是核心安全指标之一

注意事项

1. 光束匹配：入射光尺寸需填充探头有效区域直径的 10% 以上，且不超出有效区域，避免测量偏差。
2. 光源适配：光电二极管探头对波长敏感，LED 等线宽 > 10nm 的光源需在功率计上设定对应波长；热敏 / 热释电探头可忽略线宽影响。
3. 环境干扰控制
   1. 背向反射：倾斜探头或使用积分球探头，防止反射光影响激光器稳定性。
   2. 环境光 / 杂散光：采用遮光材料或套筒，测量前进行功率计归零。
   3. 温度与气流：探头需预热 10 分钟达到热平衡，隔绝气流，避免温度波动影响测量精度。
   4. 噪声抑制：热释电探头需用绝缘接杆转接，固定线缆减少干扰；长期测量需保持环境光稳定，遮蔽外部光源。