導(dǎo)語

在構(gòu)建復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，我們經(jīng)常面臨這樣的需求：如何將一束激光精準(zhǔn)地分成兩路？或者反過來，如何將兩束不同波長(zhǎng)的光合成為一束？

實(shí)現(xiàn)這一神奇“光路魔法"的核心元件，就是分光鏡（Beamsplitters）。

作為光學(xué)工程師案頭標(biāo)配的組件，分光鏡的選型直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的光路走向、能量損耗以及偏振狀態(tài)。今天，我們就來系統(tǒng)盤點(diǎn)一下分光鏡的底層邏輯，幫你理清立方體與平板、偏振與非偏振之間的關(guān)鍵差異，助你在下一次項(xiàng)目選型中游刃有余。

01. 什么是分光鏡？

簡(jiǎn)單來說，分光鏡是一種用于將入射光以指定比率分割為兩條不同光束的光學(xué)組件。當(dāng)然，光學(xué)系統(tǒng)往往是可逆的，你也可以反向使用它，將兩條不同的光束組合成單一光束。

根據(jù)物理結(jié)構(gòu)的不同，市面上的分光鏡主要分為兩大陣營(yíng)：立方體分光鏡（Cube Beamsplitters） 和 平板分光鏡（Plate Beamsplitters）。它們各有千秋，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

02. 結(jié)構(gòu)大比拼：立方體 VS 平板

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇立方體還是平板，往往是工程師面臨的第壹個(gè)抉擇。

1.立方體分光鏡 (Cube Beamsplitters)

顧名思義，它的外形是一個(gè)正方體。它是由兩個(gè)典型的直角棱鏡膠合而成的。其中一個(gè)棱鏡的斜邊表面鍍有分光膜。

工程師避坑指南：為了避免高強(qiáng)度的激光損壞脆弱的膠合層，強(qiáng)烈建議讓光線先透射到具有鍍膜的那個(gè)棱鏡中。通常，制造商（如愛特蒙特光學(xué)）會(huì)在該棱鏡的底面刻上參考標(biāo)記，安裝時(shí)請(qǐng)務(wù)必留意！

核心優(yōu)勢(shì)：

• 易于集成：0° 入射角設(shè)計(jì)，安裝對(duì)齊毫無壓力。

• 無光束位移：光線穿過時(shí)不會(huì)發(fā)生橫向偏移。

• 光路等長(zhǎng)：透射與反射光路長(zhǎng)度盡數(shù)相等，這對(duì)于干涉儀等對(duì)光程差極度敏感的系統(tǒng)來說至關(guān)重要。

• 縮短光路：緊湊的結(jié)構(gòu)有助于縮小整體系統(tǒng)體積。

局限性：

• 玻璃實(shí)心結(jié)構(gòu)，重量較大。

• 制造大尺寸的立方體難度高，且成本昂貴。

2.平板分光鏡 (Plate Beamsplitters)

平板分光鏡由一塊薄而平的玻璃基片構(gòu)成，分光鍍膜位于基片的外表面（迎光面）。

工程師避坑指南：光線穿過玻璃板時(shí)，不可避免地會(huì)在后表面產(chǎn)生多余的“菲涅爾反射"（即重影）。因此，大多數(shù)高質(zhì)量的平板分光鏡都會(huì)在內(nèi)表面鍍上增透膜（AR膜）來消除這一影響。此外，當(dāng)光線以45°角穿過具有一定厚度的玻璃板時(shí)，透射光會(huì)產(chǎn)生光束位移 (Beam Displacement)，在光路設(shè)計(jì)時(shí)必須將此計(jì)算在內(nèi)。

核心優(yōu)勢(shì)：

• 輕巧便攜：重量遠(yuǎn)輕于立方體。

• 高性價(jià)比：價(jià)格相對(duì)實(shí)惠。

• 尺寸靈活：非常容易制造出大尺寸的組件。

局限性：

• 透射與反射的光路長(zhǎng)度不同。

• 存在透射光束位移現(xiàn)象。

• 通常采用 45° 入射角，在復(fù)雜系統(tǒng)中可能需要更長(zhǎng)的對(duì)齊調(diào)試時(shí)間。

03. 功能大盤點(diǎn)：4種常見的分光鏡類型

除了物理結(jié)構(gòu)，分光鏡對(duì)光波偏振狀態(tài)和波長(zhǎng)的處理方式，決定了它的最終歸宿。根據(jù)功能，我們可以將其分為以下四類：

1.標(biāo)準(zhǔn)分光鏡 (Standard Beamsplitters)

“不挑食的通用型選手"常與自然光源或多色光源等非偏振光源搭配使用。它們經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，能以特定的反射/透射 (R/T) 比率（如50/50或30/70）來分割非偏振光。

適用場(chǎng)景：對(duì)偏振狀態(tài)沒有特殊要求的常規(guī)照明或成像應(yīng)用。

2.偏振分光鏡 (Polarizing Beamsplitters)

“嚴(yán)苛的偏振分離器"這類分光鏡是偏振光學(xué)的核心。它能將入射光“一分為二"：反射 S 偏振光束，透射 P 偏振光束。

適用場(chǎng)景：不僅可以用于以 50/50 的比率分割非偏振光，更是光學(xué)隔離器、偏振分離應(yīng)用中的真正主力。

3.非偏振分光鏡 (Non-Polarizing Beamsplitters)

“原汁原味的保真者"如果你希望光束被分割后，依然保持入射光原本的偏振狀態(tài)，那么非偏振分光鏡是你的選擇。例如，使用 50/50 的非偏振分光鏡，透射光和反射光中 P 偏振與 S 偏振的比例將與入射光充分一致。

適用場(chǎng)景：高度依賴特定偏振態(tài)的激光干涉、偏振測(cè)量等精密應(yīng)用。

4.二向色性分光鏡 (Dichroic Beamsplitters)

“色彩與波長(zhǎng)的魔術(shù)師"它不按比例分光，而是根據(jù)波長(zhǎng)對(duì)光進(jìn)行分割。它可以讓特定波長(zhǎng)的光透射，同時(shí)反射其他波長(zhǎng)的光。

適用場(chǎng)景：熒光顯微鏡應(yīng)用、激光光束合束器，以及用于分割可見光與紅外光的寬帶熱反射鏡（Hot Mirrors）和冷反射鏡（Cold Mirrors）。

總結(jié)

分光鏡雖小，卻是決定光學(xué)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵樞紐。

• 追求零光束位移和等光程，選擇立方體；

• 追求輕量化和大尺寸，平板是高性價(jià)比之選。

• 處理偏振光時(shí)，務(wù)必分清你需要的是分離偏振態(tài)（偏振分光鏡）還是保持偏振態(tài)（非偏振分光鏡）。

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