[科普中国]-分束装置

简介

分束装置是可将一束光分成两束光或多束光的元件，通常是由金属膜或介质膜构成，它是大多数干涉仪的关键部分，最主要的装置是分束器。1

设计最常见的形式是由两个三角形玻璃棱镜制成的立方体，它们使用聚酯、环氧树脂或聚氨酯类粘合剂在基体上胶合在一起。调整树脂层的厚度，使得通过一个“端口”（即，立方体的面）入射的光（一定波长）的一半被反射，另一半全部内反射。 诸如沃拉斯顿棱镜的偏振分束器使用双折射材料，将光分成不同极化的光束。

另一种设计是使用半镀银镜，一片玻璃或塑料，透明薄的金属涂层，现在通常由铝蒸气沉积铝。 控制沉积物的厚度，使得以45度角入射并且不被涂层吸收的光的部分（通常为一半）被透射，其余部分被反射。 用于摄影的非常薄的半镀银镜子通常被称为防护薄膜镜。 最初，这些是穿孔的高度抛光的金属片，以获得所需的反射与透射比。之后，将金属溅到玻璃上，形成不连续的涂层，或者通过化学或机械作用去除连续涂层的小区域以产生非常字面上的“半镀银”表面。

代替金属涂层，可以使用二向色光学涂层。根据其特性，反射与透射的比例将随着入射光的波长的函数而变化。分光镜用于一些椭圆反射聚光灯，以分散不需要的红外线（热）辐射，以及激光器结构中的输出耦合器。

分束装置的第三种设计是二向色镜像棱镜组件，其使用二向色光学涂层将入射光束分成多个光谱不同的输出光束。这样的设备被用于彩色电视机和三色彩色印片摄影机。它目前用于现代三CCD相机。光学相似的系统反向用作三LCD投影机中的光束组合器，其中来自三个单独的单色LCD显示器的光被组合成用于投影的单个全色图像。

用作相机附件的镜子或棱镜的安排用一个镜头和一个曝光来拍摄立体图像对有时被称为“分束器”，但这是一个误称，因为它们实际上是一对潜望镜。在用于立体摄影的一些非常罕见的附件中，类似于分束器的镜子或棱镜块执行相反的功能，通过彩色滤光片从两个不同的角度将主体的视图叠加，以允许直接产生浮雕3D图像，或者通过快速交替的百叶窗记录顺序字段3D视频。2

相移由一侧为反射介质涂层的玻璃板组成的分束装置，取决于入射侧的相移（0或π）。发射波没有相移，从反射侧进入的反射波（红色）被相移π，而从玻璃侧（蓝色）进入的反射波没有相移。 这是由于菲涅耳方程，根据该方程，只有当穿过低折射率材料的光以高折射率的材料反射时，反射才会产生相移。 这是在空气向反射器过渡的情况，但不是从玻璃到反射器的过渡（考虑到反射器的折射率在玻璃和空气的折射率之间）。

这不适用于导电（金属）涂层的部分反射，其中所有路径（反射和透射）都发生其他相移。

经典无损分束器考虑一个经典的无损分束器，在其两个输入处都有电场。 两个输出域Ec和Ed与输入通过线性相关：

其中2×2元素是分束器矩阵。 r和t是通过分束器的特定路径的反射率和透射率，该路径由下标表示。

假设分束器不从光束中去除能量，则总输出能量可以等于总输入能量的读数

要求这种节能带来反射率和透射率之间的关系：

和

其中表示复共轭。我们可以将每个r和t写成具有幅度和相位因子的复数。相位因子考虑到在该表面反射或透射时，光束的相位可能发生偏移。 然后我们获得

当，指数项减少到-1。 应用新条件，我们得到

其中。 这导致我们的结果

现在已经确定了描述无损分束器的约束，我们可以重写我们的初始表达式3

在实验中使用光束分离装置已被用于量子理论和相对论等物理领域的思想实验和现实世界的实验。这些包括：

（1）1851年的Fizeau实验测量水中光的速度；

（2）1887年的迈克尔逊 - 莫利实验测量（假设）发光的醚对光速的影响；

（3）1935年的哈马尔实验反驳了代顿米勒对重复迈克尔逊 - 莫利实验的积极成果的主张；

（4）1932年的肯尼迪 - 索恩迪克实验测试了光速和测量仪器速度的独立性；

（5）测试Penrose解释的FELIX实验（2000年提出）量子叠加取决于时空曲率；

（6）Mach-Zehnder干涉仪用于各种实验，包括Elitzur-Vaidman炸弹测试仪，包括无相关测量。