起偏方案盘点

偏振与振幅、频率、相位一样，都是光的基本属性。自然光中，光矢量在垂直于传播方向的平面内各个方向都有振动；而许多光学系统需要的则是特定偏振态的光。能将自然光或部分偏振光变为线偏振光的器件，称为起偏器。理想的起偏器有唯一的透振方向，只允许特定偏振态的光通过，其余偏振分量则被阻挡。

按照起偏原理的不同，起偏器可分为二向色性吸收型、双折射棱镜型、薄膜干涉型和金属线栅型四大类，下面逐一介绍。

 

一、二向色性吸收型起偏器

二向色性是指某些材料对入射光的两个正交偏振分量表现出不同的吸收特性——一个偏振分量被强烈吸收，另一个则几乎不吸收而透射通过。利用这一特性制成的起偏器即为二向色性偏振片。

1.1 薄膜线性偏振片

薄膜线性偏振片采用三明治结构，由前后两层 N-BK7 玻璃衬底与中间的线性偏振薄膜组成。偏振薄膜基于二向色性吸收原理：偏振方向平行于透振轴的光分量透过，垂直分量则被吸收，从而在元件平面内产生透振方向一致的线偏振光。

N-BK7 玻璃衬底的作用是机械保护与光学匹配：前后两层玻璃将脆弱的偏振薄膜夹在中间，避免其直接暴露在环境中；同时玻璃两侧与空气接触面镀有增透膜，以减少界面反射损耗。由于损伤阈值受限于偏振薄膜中的有机材料，这类偏振片通常适用于低功率应用。

 

图1 薄膜线性偏振片偏振调制特性

 

应用场景：· 低功率激光实验中的起偏与检偏· 光强衰减器——配合检偏器组成可调衰减器· 显示与投影系统中的偏振控制· 摄影与成像光学中的偏振滤光· 大面积偏振需求

 

图2 薄膜线性偏振片

1.2 纳米粒子薄膜线性偏振片

纳米粒子薄膜线性偏振片于钠钙玻璃基体中嵌入长椭球银纳米粒子，通过调控椭圆度与排布实现工作波长与偏振性能的高精度调制。因粒子形貌各向异性，特定波段内仅短轴方向光分量透过，其余被吸收或反射，形成线偏振光。

机制类似传统二向色性聚合物偏振片，但无机玻璃基材赋予两大优势：激光损伤阈值显著提升，以及更高消光比和更宽耐温范围。

 

图3 纳米粒子薄膜线性偏振片偏振调制特性

 

应用场景：· 高能激光系统中需要薄膜型偏振片的场景· 对偏振度有较高要求但无法使用棱镜型偏振器的系统· 需要较大通光面积同时保持较高消光比的应用· 替代传统聚合物偏振片以提升系统性能

 

图4 纳米粒子薄膜线性偏振片

 

二、双折射棱镜起偏器

 

某些晶体具有双折射特性，源于其内部折射率的各向异性。对负单轴晶体（如方解石、α-BBO），o 光折射率 no 大于 e 光折射率 ne；正单轴晶体则相反。这一折射率差异正是双折射型起偏器实现偏振分离的物理基础——利用两种偏振分量在晶体中传播路径的不同，将其在空间上分开，从而获得高纯度的线偏振光。这类起偏器通常以棱镜形式工作。

2.1 格兰·激光晶体偏振棱镜

格兰·激光棱镜由两块光轴平行的同种负单轴晶体（no>ne）构成，格兰·激光晶体偏振棱镜两个晶体的斜面之间，通常是一层极薄的空气隙。设计楔角θ大于o光全反射临界角，使o光在界面全反射并经侧面逃逸窗口导出，e光透射且平行出射，获得高消光比线偏振光。

棱镜间为空气隙结构，其优势在于：✅️避免胶合层吸收高功率激光，提高损伤阈值；✅️同时空气折射率远低于晶体，使o光更易满足全反射条件，有利于实现高消光比。

 

图5 格兰·激光晶体偏振棱镜光路图

应用场景：· 高功率激光系统的起偏与检偏· 紫外激光（266 nm、355 nm）偏振控制——选用 α-BBO 材质· 近红外激光（1064 nm、1550 nm）精密偏振测量· 需要同时采集反射光的偏振分束场景

2.2 格兰·泰勒晶体偏振棱镜

格兰·泰勒棱镜基于双折射晶体中o/e光折射率差异，采用空气隙结构实现偏振分离。与格兰·激光棱镜的核心区别在于o光处理：后者经逃逸窗口导出，前者在棱镜直角面涂覆吸光涂层，吸收全反射后的o光并转化为热能，无出射光，从而避免侧面杂散光，尤适于精密光学测量。但吸热致局部温升，影响双折射稳定性，因此更适合中等功率或对杂散光要求极高的场景。

 

图6 格兰·泰勒晶体偏振棱镜光路图

应用场景：· 高功率激光起偏，且无需利用反射光的场景· 对杂散光敏感的精密光学测量· 空间受限的紧凑型光路系统

2.3 沃拉斯顿晶体偏振棱镜

沃拉斯顿棱镜由两块光轴互相垂直的负单轴晶体光胶组合而成，与格兰型不同，它同时输出两束正交线偏振光。自然光垂直入射时，两偏振分量无偏折；至交界面时，因右端光轴转向，原水平分量变为e光向下偏折，竖直分量变为o光向上偏折（no>ne），两出射光的夹角即为分离角。

 

图7 沃拉斯顿晶体偏振棱镜光路图

应用场景：· 偏振干涉仪——利用双光束的正交偏振特性· 光束位移器——将一束光分为两束空间分离的正交偏振光· 偏振态分析设备（椭偏仪等）· 需要同时获取两个正交偏振分量的测量系统

2.4 洛匈晶体偏振棱镜

洛匈棱镜结构与沃拉斯顿棱镜相似，由两块光轴方向不同的晶体棱镜组合。其优势在于o光在两块晶体中折射率不变，故沿原方向直行、出射光方向不偏折，便于光路对准（一束直出，一束偏折）。但限制是仅允许正向入射，反向使用时，无偏折输出的光不再是单一的o光，而是o光和e光的混合，从而导致消光比显著下降。

 

 

图8 洛匈晶体偏振棱镜光路图

应用场景：· 光束位移器——需要一束光沿原方向无偏折输出· 精密光路对准——o 光直行特性简化系统调试· 与沃拉斯顿棱镜互补：当系统需要一束光不偏折时优先选用

 

三、薄膜干涉型起偏器

在倾斜光学表面镀制多层介质膜，利用布儒斯特条件下S光与P光反射特性的差异，可实现起偏。这类器件称为偏振平板分束镜或偏振分束立方。

物理基础为菲涅尔公式与布儒斯特角：P光以布儒斯特角入射时反射率为零、全部透射，S光则部分反射。单界面S/P反射率差异有限，而多层膜中通过设计每层折射率与厚度，使S光反射相干叠加获得高反射率，P光几乎全透，从而在宽波段内实现高消光比。在直角棱镜斜面镀制偏振分光膜后与另一棱镜胶合，构成立方体PBS，S光反射、P光透射且互成90°出射；亦可在平板基片上镀膜制成偏振平板分束镜。

这类起偏器的局限在于：消光比与带宽对入射角和工作波长较为敏感，且胶合型结构的损伤阈值受胶合层限制，高功率场景应优先选用光胶型立方或平板分束镜。

 

图9 偏振分束立方光路图

 

图10 偏振平板分束镜光路图

 

四、金属线栅型起偏器

金属线栅偏振片由两层N‑BK7玻璃衬底及其间的亚波长周期金属光栅构成。光通过时，平行线栅的电场分量被吸收或反射，垂直分量透射，形成线偏振光。

LBTEK产品采用铝线栅，因铝在可见至近红外波段具良好导电性与低吸收，工艺成熟易于大面积制备；N‑BK7衬底提供机械保护并匹配外光路。该结构可实现宽波段覆盖，且无机金属材料热稳定性好，适应较宽工作温度范围。

 

图11 金属线栅偏振片的偏振调制特性

应用场景：· 宽光谱系统——需要覆盖可见到近红外的偏振控制· 高温环境下的偏振测量· 需要高损伤阈值但无法使用棱镜型偏振器的中等功率系统· 环境监测、遥感等户外恶劣条件下的偏振检测

 

五、结语

起偏方案的选择没有最优解，只有最适配解。不同原理的起偏方案各有优势，汇总对比如下：

 

 

麓邦提供覆盖 200 nm 至 3.0 μm 波段的线起偏器件，无论您是搭建高功率激光系统、进行精密偏振测量，还是开发宽光谱成像设备，均能找到适配的起偏方案。