4.7 分光元件¶

分光元件（Beam Splitter / Dispersive Element）将入射光束按方向、波长或偏振态分离为两路或多路。前者（分振幅型）按功率比分路，后者（色散型）按波长分路。分光元件是干涉仪、光谱仪、多路成像系统、偏振检测系统的核心功能器件。

一、分束镜（Beam Splitter，按方向分光）¶

在平板玻璃上镀部分反射膜，将入射光分为反射和透射两路。常见分光比：50:50（R:T）、30:70、10:90 等。

优点：结构简单，成本低。缺点：反射光与透射光之间存在横向位移（楔形误差会引入像散），高精度系统需使用楔形补偿板。

两个直角棱镜胶合，斜面镀分束膜：

镀膜设计使短波段反射（或透射），长波段透射（或反射）：

入射光（含 λ₁ + λ₂）
         ↓
   [二色性镜面]
    /          \
透射 λ₂       反射 λ₁

用于荧光显微镜（激发光与发射光分离）、多波段成像系统、双波段激光合束。

折射率的色散使不同波长的光经棱镜折射后方向不同。棱镜分光具有连续无衍射级次混叠问题，透过率高，但色散角度较小，光谱展开量有限。

阿贝折射计利用棱镜精确测量折射率；等腰散射棱镜用于光谱仪；折射率高、色散大的材料（如 SF 系列玻璃）提供更大的分光角。

光栅方程：

$$m\lambda = d(\sin\theta_i + \sin\theta_m)$$

其中 $d$ 为光栅常数（刻线间距），$m$ 为衍射级次，$\theta_i$ 为入射角，$\theta_m$ 为 $m$ 级衍射角。

光栅类型：

光栅分辨率：

$$R = \frac{\lambda}{\Delta\lambda} = mN$$

其中 $N$ 为参与衍射的光栅刻线总数，$m$ 为级次。刻线数越多，分辨率越高。

薄膜干涉带通滤光片，沿一个方向的膜层厚度线性渐变，使中心波长沿该方向连续变化：

λ₁          λ₂          λ₃
[====LVF 滤光片片====]
←——— 波长线性增加 ———→

将 LVF 直接置于线阵或面阵探测器前，不同位置对应不同波长，实现推扫多光谱成像。结构紧凑，无运动部件，是小型化多光谱成像仪的常见方案（用于无人机、小卫星）。

利用双折射晶体（方解石、MgF₂）的 o 光和 e 光之间的相位差改变偏振态：

类型	相位延迟	功能
半波片（HWP）	$\pi$（λ/2）	旋转线偏振方向
四分之一波片（QWP）	$\pi/2$（λ/4）	线偏振 ↔ 圆偏振互转

线偏振片（如线栅偏振片、Glan-Taylor 棱镜）只允许特定偏振方向的光通过，用于偏振成像、激光系统偏振控制。

Palmer & Loewen, Diffraction Grating Handbook (7th Edition), Newport/MKS — 免费在线版
Hecht, Optics (5th Edition), Pearson — 第 9 章干涉、第 10 章衍射
Thorlabs / Edmund Optics 分光元件产品手册

2026-03-03