想要让激光光束更纯净、更可控，离不开对偏振状态的精准调节。偏振棱镜，就是完成这一任务的关键“光学开关”。激光技术的飞速发展对光束质量提出了严苛要求，其中偏振态的精确调控直接影响着激光系统的性能边界。从早期的布儒斯特角窗口到现代复杂的偏振光学系统，偏振棱镜始终扮演着不可替代的角色。

与二向色性偏振片相比，双折射型偏振棱镜具有高损伤阈值（可达GW/cm²量级）、高消光比（>10⁵:1）及更宽的波长适应性与更低的波前畸变等显著优势，使其成为激光加工、精密测量和通信等领域的首选方案。

原理解读

偏振棱镜的核心工作机制建立在晶体的双折射效应之上。以方解石（Calcite，CaCO₃）为代表的单轴晶体具有两个不同的主折射率：寻常光（o光）折射率no与非常光（e光）折射率ne。当光波入射至晶体内部时，依据偏振方向的不同，两束光将经历差异化的折射与传播路径，从而实现偏振态的空间分离。

图1 双折射晶体光束分离工作原理 / Microscopy

根据设计与功能的不同，偏振棱镜可以分为两类：起偏棱镜和分束棱镜。下面分别举例阐述这两类棱镜的典型代表及应用。

（一）起偏棱镜

其设计理念就是根据双折射晶体的特点，让其中一束光（o光）发生全反射，而使另一束光（e光）通过，进而达到起偏的目的。

格兰·泰勒晶体偏振棱镜

空气隙结构，可用于输出高消光比的线偏振光。其侧面未留逃逸窗口，相对于格兰·激光晶体偏振棱镜设计偏薄，且不适用于高功率应用。

图2 格兰泰勒棱镜光路示意图

格兰·激光晶体偏振棱镜

专为高功率应用优化，其工作原理和格兰·泰勒类似，区别在于o光发生全反射后，在下方分界面处折射出射，而不是被吸收。

图3 格兰·激光棱镜光路示意图

格兰型棱镜在激光加工中常用于偏振控制、能量调控，适配高功率激光加工场景。如图4所示，将二分之一波片和格兰棱镜组合可用于制备切趾光纤布拉格光栅（FBG），该方法通过旋转二分之一波片调节激光线偏振态，从而改变通过格兰棱镜的出射激光强度，在逐点刻写过程中，通过改变不同位置的折射率调制幅度，使沿光纤方向的调制幅度符合切趾型函数分布，最终实现了切趾光栅的效果。格兰棱镜在该应用中表现出卓越的偏振控制能力和能量调控特性，最终实现了高保真度的切趾光栅，该光栅可应用于大功率、窄线宽的光纤激光器以及高速精确传感解调系统中[1]。

图4 逐点刻写技术制备切趾光纤光栅的装置示意图

此外，在飞秒激光加工系统中，格兰型偏振棱镜还常用于“清洗”光束，生成纯净的线偏振光。如图5所示，在用Z扫描技术测量非线性折射率随偏振变化的实验中，需要极高的光束质量和偏振纯度，以确保测量结果的准确性和重现性，因此在半波片前放置了格兰棱镜，用于消除其他偏振分量的干扰，保证入射的激光为纯净线偏光。该实验表明，在飞秒激光加工的实验中，LiF晶体加工形貌随着偏振方向的改变而改变，证明了依赖偏振的逆韧致辐射导致加工形貌随飞秒激光偏振变化，这有助于推动电介质在飞秒激光诱导下形成微结构的应用[2]。

图5 飞秒激光辐照及测试光路示意图

（二）分束棱镜

偏振分束棱镜与偏振起偏棱镜的区别在于，分束棱镜让入射光分解的正交线偏振o光和e光都可以通过，从而获得两束分开的线偏振光，常用于偏振光干涉系统或用作起偏器。

沃拉斯顿晶体偏振棱镜

自然光入射时，能在棱镜透射端得到偏振方向相互正交、具有一定分离角的两束线偏振光。由于两束光均偏折，适合需要较大分束角的场景，如偏振显微镜的偏振分光。此外，沃拉斯顿晶体偏振棱镜允许光从两端入射，其偏转角大小与工作波长、材料及棱镜楔角有关。

图6 沃拉斯顿棱镜光路示意图

洛匈晶体偏振棱镜

自然光入射时，能在棱镜透射端得到偏振方向相互正交、具有一定分离角的两束线偏振光。其中，o光无偏折出射，e光偏折出射，其偏转角大小与工作波长、材料及棱镜楔角有关，白光入射时，能得到无色散的线偏振光。另外需要注意的是，洛匈偏振棱镜仅允许光从一侧正向入射（若从另一侧反向入射会引起消光比降低）。由于o光几乎不偏折，适合旋转偏振器等需要一束光保持原方向的应用。

图7  洛匈棱镜光路示意图

对于一些精密测量，常常依赖对偏振态的精准解析，沃拉斯顿偏振棱镜和洛匈偏振棱镜在此类场景中发挥关键作用。如图8所示，利用沃拉斯顿偏振棱镜的对称分束性质，可用于搭建快速空间测角系统。激光光源L经扩束镜BE后，通过透射光矢量，在x方向的起偏器P形成线偏振光。该线偏振光经过磁光调制器，成为携带调制信息的信号光, 然后通过晶体光轴与x方向夹角约为±45°的沃拉斯顿棱镜，分成两束偏振方向相互垂直的调制信号光, 分别到达光电探测器De和Do。利用后续信号处理电路对光电探测器接收到的信号进行处理，即可解算出沃拉斯顿棱镜晶体光轴偏离±45°角的方位角δ[3]。

图8 快速空间测角系统的工作原理图

偏振度是表征光束偏振特性的重要参量, 是影响光学传感、激光测量等方面的重要因素。然而，现有偏振度测量方法难以满足空间型退偏光对高精度和空间分布观测的需求。基于洛匈棱镜测量偏振度的装置简单、操作方便, 弥补了现有偏振度测量法的不足, 在对空间光束偏振度和偏振态空间分布同时观测中具有重要应用。如图9所示，光束经过洛匈棱镜后，分为o光和e光，通过分别测量这两束光的功率值，即可计算出光束的整体偏振度，这一方法实现了对光束偏振度的快速、准确测量，并利用光束的空间分离特性，能够直观地观察和分析光束的空间退偏现象，克服了传统旋转检偏器在空间退偏光测量中的局限性[4]。

图9 利用洛匈棱镜测量偏振度的装置

综上所述，偏振棱镜作为激光光束调控的“核心利器”，凭借其高消光比和宽波长适应性，成功突破了二向色性偏振片的性能瓶颈，并以 GW/cm² 级的高损伤阈值为高功率激光应用提供了可靠的“安全护盾”。

| 参考文献
[1]郑钟铭，王鹏飞，李建郎。基于波片-棱镜组合能量调制的切趾光纤光栅飞秒激光制备 [J]. 吉林大学学报 (信息科学版), 2020, 38 (5): 523-528.
[2]王承伟,赵全忠,张扬,等.偏振对飞秒激光辐照LiF晶体的影响[J].物理学报,2015,64(20):276-285.
[3]李春艳,陆卫国,乔琳.快速空间测角系统中偏振棱镜消光比的影响[J].光学精密工程,2018,26(04):749-756.
[4]罗云瀚,王芳,葛菁华,等.基于洛匈棱镜的偏振度测量与空间退偏度分析方法研究[J].光子学报,2014,43(09):141-145.