[科普中國]-分束器

簡介

分束器是可將一束光分成兩束光或多束光的光學(xué)裝置，它是大多數(shù)干涉儀的關(guān)鍵部分。通常是由金屬膜或介質(zhì)膜構(gòu)成。1

分束器設(shè)計最常見的形狀是立方體，由兩個三角形玻璃棱鏡制成，它們使用聚酯，環(huán)氧樹脂或聚氨酯類粘合劑在基體上膠合在一起。調(diào)整樹脂層的厚度，使得通過一個“端口”（即，立方體的面）入射的光的（一定波長）的一半被反射，另一半由于全部內(nèi)反射而被繼續(xù)傳輸。 諸如沃拉斯頓棱鏡的偏振分束器使用雙折射材料，將光分成不同極化的光束。

另一種設(shè)計是使用半鍍銀鏡，一片玻璃或塑料，透明薄的金屬涂層，現(xiàn)在通常由鋁蒸氣沉積鋁。 控制沉積物的厚度，使得以45度角入射并且不被涂層吸收的光的部分（通常為一半）被透射，其余部分被反射。 用于攝影的非常薄的半鍍銀鏡子通常被稱為防護薄膜鏡。 為了減少由于反射涂層的吸收引起的光的損失，已經(jīng)使用了所謂的“瑞士干酪”分束鏡。 最初，這些是穿孔的高度拋光的金屬片，以獲得所需的反射與透射比。 之后，將金屬濺到玻璃上，形成不連續(xù)的涂層，或者通過化學(xué)或機械作用去除連續(xù)涂層的小區(qū)域以產(chǎn)生非常字面上的“半鍍銀”表面。

代替金屬涂層，可以使用二向色光學(xué)涂層。 根據(jù)其特性，反射與透射的比例將隨著入射光的波長的函數(shù)而變化。 分光鏡用于一些橢圓反射聚光燈，以分散不需要的紅外線（熱）輻射，以及激光器結(jié)構(gòu)中的輸出耦合器。

第三種分束器是二向色鏡像棱鏡組件，其使用二向色光學(xué)涂層將入射光束分成多個光譜不同的輸出光束。 這樣的設(shè)備被用于三皮管彩色電視攝像機和三色彩色印片法電影攝影機。 它目前用于現(xiàn)代三CCD相機。 光學(xué)相似的系統(tǒng)反向用作三LCD投影機中的光束組合器，其中來自三個單獨的單色LCD顯示器的光被組合成用于投影的單個全色圖像。

用于PON網(wǎng)絡(luò)的單模光纖的分束器使用單模行為來分割光束。分離器通過將兩根光纖“拼接”為X。

用一個鏡頭和一個曝光點來拍攝立體影像對的鏡子或棱鏡的排列，有時被稱為“射束分離器”，但這是一個用詞不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象，因為它們實際上是一對潛望鏡，折射出的光線已經(jīng)不是重合的了。在一些非常罕見的立體攝影附件、鏡子或棱鏡塊與束器執(zhí)行相反的功能相似，疊加的主題從兩個不同角度視圖通過顏色過濾器允許直接生產(chǎn)浮雕的3 d圖像，或通過迅速交替百葉窗記錄順序字段3D視頻。2

相移由一側(cè)的反射介質(zhì)涂層的玻璃板組成的分束器，取決于入射側(cè)的相移為0或π（見圖）。發(fā)射波沒有相移。 從反射側(cè)進入的反射波（紅色）被相移π，而從玻璃側(cè)（藍色）進入的反射波沒有相移。 這是由于菲涅耳方程，根據(jù)該方程，只有當(dāng)穿過低折射率材料的光以高折射率的材料反射時，反射才會產(chǎn)生相移。 這是在空氣向反射器過渡的情況，但不是從玻璃到反射器的過渡（考慮到反射器的折射率在玻璃和空氣的折射率之間）。

這不適用于導(dǎo)電（金屬）涂層的部分反射，其中所有路徑（反射和透射）都發(fā)生其他相移。

經(jīng)典無損分束器考慮一個經(jīng)典的無損分束器，其電場在其兩個輸入處都有事件發(fā)生。 兩個輸出域Ec和Ed與輸入通過線性相關(guān)

其中2×2元素是分束器矩陣。 r和t是通過分束器的特定路徑的反射率和透射率，該路徑由下標(biāo)表示。

假設(shè)分束器不從光束中去除能量，則總輸出能量可以等于總輸入能量的讀數(shù)

要求這種節(jié)能帶來反射率和透射率之間的關(guān)系

并且

其中“”表示復(fù)共軛。我們可以將每個r和t寫成具有幅度和相位因子的復(fù)數(shù)；例如。 相位因子考慮到在該表面反射或透射時，光束的相位可能發(fā)生偏移。 然后我們獲得

當(dāng)時，指數(shù)項減少到-1。 應(yīng)用這種新條件和平方雙方，我們得到

其中替換形式，這使得我們得到

它遵循。

現(xiàn)在已經(jīng)確定了描述無損分束器的約束，我們可以重寫我們的初始表達式

在實驗中的應(yīng)用分束器已被用于量子理論和相對論等物理領(lǐng)域的思想實驗和現(xiàn)實世界的實驗。 這些包括：

（1）1851年的Fizeau實驗測量水中光的速度；

（2）1887年的邁克爾遜 - 莫利實驗測量（假設(shè)）發(fā)光的醚對光速的影響；

（3）1935年的哈馬爾實驗反駁了代頓米勒對重復(fù)邁克爾遜 - 莫利實驗的積極成果的主張；

（4）1932年的肯尼迪 - 索恩迪克實驗測試了光速和測量儀器速度的獨立性；

（5）貝爾測試實驗（從大約1972年）演示量子糾纏的后果，并排除局部隱性變量理論；

（6）惠勒的1978年，1984年等的延遲選擇實驗，以測試什么使光子作為波；

（7）測試Penrose解釋的FELIX實驗（2000年提出）量子疊加取決于時空曲率；

（8）Mach-Zehnder干涉儀用于各種實驗，包括Elitzur-Vaidman炸彈測試儀，包括無相關(guān)測量;在其他方面在量子計算領(lǐng)域。

量子計算應(yīng)用2000年，Knill，Laflamme和Milburn（KLM協(xié)議）證明，可以用光束分離器，移相器，光電探測器和單光子源來創(chuàng)建通用量子計算機。 在該協(xié)議中形成量子位的狀態(tài)是兩種模式的一個光子狀態(tài)，即兩種模式的占空比表示（Fock狀態(tài)）中的狀態(tài)|01>和|10>。 使用這些資源，可以實現(xiàn)任何單個量子位門和2-量子位概率門。 光束分離器是該方案中的重要組成部分，因為它是唯一產(chǎn)生Fock狀態(tài)之間的分束器。