为什么改变入射角会改变反射光
多层反射器是由多层薄膜叠成的结构,通过干涉反射一定波段的波长。光可以分成两个偏振分量,而多层膜堆对这两个分量的反射并不相同;每个分量的反射强弱取决于入射角和各层的光学性质[1]。角度改变时,两个反射分量的相对强度也随之改变,因此反射光束的偏振不是固定的,而是随角度变化。
最清晰的总体图景来自单个界面,多层膜堆正是由这样的界面构成的。当圆偏振光束打到界面上时,反射光中包含一个保持自旋的正常分量,以及一个自旋翻转的反常分量,后者会获得几何相位并发生侧向位移[1]。这两种模式的强度由入射角和界面的光学性质决定,因此反射光的偏振直接是角度的函数[1]。
布儒斯特角有什么特殊之处
布儒斯特角是这样一个入射角:在该角度下,一个偏振分量的反射降到最低,在简单界面上实际上会消失。在这个角度附近,两个圆偏振分量的反射系数符号相反,因此正常模式和反常模式发生相消干涉[1]。结果是反射光束的图样严重变形,自旋霍尔位移异常增强,也就是说光束的偏振结构和位置对微小的角度变化变得异常敏感[1]。
这不是一个小修正。由于两个分量是以结构化的方式相互抵消,而不是简单地变暗,布儒斯特角附近的反射光在性质上可能和仅凭亮度推断出的结果很不一样[1]。类似的布儒斯特角行为预计会同时出现在反射和透射几何中,这也是为什么这种角度依赖性不只局限于单个界面[1]。
在实际多层反射器和结构反射器中如何体现
在实际的多层器件中,角度依赖性是设计参数,而不是偶然现象。一种为极化雷达设计的Ka波段多层偏振旋转反射器针对45°斜入射进行了优化,能在选定频率上将线偏振场旋转90°[2]。该设计表明,多层膜堆可以被设计成使其偏振响应调谐到选定的斜入射角,不过这项研究并未考察布儒斯特角行为[2]。
其他结构反射器在不同的物理系统中表现出同样的角度敏感性。螺距梯度胆甾相液晶反射器表现出偏振选择性反射,这种反射随入射角变化,并在四种输入偏振下都有体现,光谱是在20°和40°等典型角度下测量的[4]。在生物结构色中,多层反射器也与伴随布儒斯特角反射的偏振分束有关,从而把同样的角度依赖偏振物理与自然光学系统联系起来[5]。较早关于周期光波导的研究处理了多层反射器,并指出结果可以推广到正交偏振,而且布儒斯特角处的行为会影响功率的反射方式[3]。
在不同角度下可以预期什么
在远离布儒斯特角的角度上,反射偏振逐渐变化:两个分量以不同但稳定的强度被反射,因此随着角度倾斜,输出偏振会平滑地旋转或变得更椭圆[1]。当角度接近布儒斯特角时,一个分量被抑制,分量之间的符号关系可能反转,使偏振态急剧摆动、光束轮廓发生畸变[1]。超过布儒斯特角后,平衡再次改变,因此同一个反射器在该角度的两侧可能产生相当不同的偏振输出[1]。
实际启示是:多层反射器的偏振性能应当按它实际使用的角度来规定。针对正入射或某个斜入射角(例如45°雷达设计)优化的膜堆,并不能保证在布儒斯特角附近表现相同[2]。在布儒斯特角工作很重要的场合,偏振分量之间随角度变化的干涉才是需要围绕其进行设计的效应,而不是可以忽略的细节[1][3]。
本文引用的文献
重新审视布儒斯特角附近光的反常自旋霍尔效应
在布儒斯特角附近,两个圆偏振分量的反射系数符号相反,导致正常模式和反常模式之间发生相消干涉,产生严重变形且自旋霍尔位移增强的反射光束。
用于极化雷达的Ka波段偏振旋转多层反射器
设计并测量了一种Ka波段多层偏振旋转反射器,在针对45°斜入射优化时,能在选定频率上将线偏振旋转90°。
周期光波导的分析与应用
周期光波导分析涉及多层反射器,指出结果可推广到正交偏振,并讨论了布儒斯特角处的功率行为。
螺距梯度胆甾相液晶中的反常偏振选择性反射
螺距梯度胆甾相液晶反射器表现出偏振选择性反射,这种反射随入射角变化,并在四种输入偏振下都有体现。
结构色
结构色系统可以被视为多层反射器,其中干涉伴随布儒斯特角反射和偏振分束。
