技术文章

那些令人费解的光学术语

原创 trivial Thorlab 索雷博

Meta-Optics

如果说科技世界正在迈入元宇宙(meta-verse)时代，那么超材料(meta-material)也许是其中重要的一环，而激光当然是 bu 可 huo 缺 的，而这多亏了某些能级的亚稳态(meta-stable)特性。

您看，英文一个meta就有这么多的中文变形(meta-morphosis)，因此翻译真是一门玄学(meta-physics)。

除了超材料或超透镜，我们还常听到：

● 超快(ultra-fast)光学、超稳(ultra-stable)激光

● 超分辨(super-resolution)、chao 级 反射镜(super-mirror)

● 超光谱(hyper-spectroscopy)

● 超现实主义(sur-realism)

您看，英文不同的前缀，中文一字译之：超。

Thorlabs PDH超稳激光装置

Transverse vs. Lateral

这两个词都有横向的意思，但从哪里横是一个问题。引用Thorlabs正弯月透镜应用的英文描述：

…the transverse and lateral aberrations are greatly reduced.

虽然这句话的翻译有点费劲，但对比图示很容易看出哪两个方向的像差大为减小。如果以光轴为参考，也许我们可以把transverse叫做横向，而lateral叫做轴向或纵向？

单平凸透镜 像差大              双平凸透镜 像差减小           平凸加弯月透镜 像差继续减小

但是，当一个倾斜的玻璃片使光束产生lateral displacement时，我们也称之为横向位移。

光束横向位移图示和计算

横模 vs. 纵模

● transverse或radial mode为横模

● longitudinal或axial mode为纵模

横模与纵模

单模更多应该是指单横模，或者说单空间模式，而且通常满足高斯分布。因此，单模激光器或单模光纤输出衍射 ji 限 光束。

单模也可能指单纵模。单横模不 yi 定 是单纵模，那单纵模 yi 定 是单横模和单频吗？

分析复杂的横模图案，可使用CMOS相机式光束轮廓仪。分析精细的纵模结构，可使用共聚焦法布里珀 luo 干 涉仪。

CMOS光束轮廓仪                      FPI光谱分析仪

M² vs. Q

两者都叫做质量因子。

M²叫做光束质量因子或传播因子。M²等于光束参量积(BPP，束腰半径与发散半角之积)与λ/π的比值，其中λ/π为相同波长的衍射 ji 限 光束参量积。因此，衍射 ji 限 光束的M²因子为1，这就是高斯光束。由于高阶模的存在和不均匀增益导致的振幅和相位畸变等原因，激光光束将偏离高斯形状。

但是，M²为什么有个2呢？

Quality叫做腔的质量因子。共振腔要形成稳定的振荡，往返增益需大于损耗，而Q因子可定义为往返增益与往返损耗之比。因此，Q值越高损耗越小。Q开关激光器的本质就是调制损耗和载流子反转阈值。对于低Q值，由于高损耗和高阈值，即使激光材料中的能量和增益都很高也无法形成激光振荡，所以载流子反转阈值将远高于普通激光器。恢复高Q值后，能量瞬间释放，发射一个巨脉冲。

Emission vs. Radiation; Stimulated vs. Excited
LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

借用周炳坤版激光原理1.3节的标题：光的受激辐射放大。如果把of radiation译为光的，内心有 yi 波 黑体辐射在翻腾。或者，我们把laser用作名词，lase用作动词，即产生激光的动态过程。这么一看，R好像可有可无了。

也许电子能够理解这种复杂的心情：受泵浦光子激发(excited)后，它从基态上升到激发态；受信号光子激发(stimulated)后，它从激发态回到了基态。同样是受激，但电子经历了相反的跃迁过程。当然，我们有了两个信号光子，实现了受激辐射。

有人说，可见光是一个令人误解的术语；因为光本身是不可见的，它只是让一定的物体可见。在激光世界，光不仅仅是可见光，紫外、红外甚至太赫兹等不可见光也是光。毕竟，人眼不可见的光，Thorlabs还有很多不同的探测器。

即使，
OPTICS = Our Personal Torture Is Crazily Severe

但是，
LASERS = Life Always Shines, Remember to Smile

光轴以及o光和e光

对于双折射晶体或偏振光学元件，光轴(Optic Axis)是指折射率不同的某个轴。三维晶体有三个不同的折射率，如果一个折射率和其它两个不同，这就是单轴晶体，而三个折射率都不同则为双轴晶体。

对于单轴晶体，折射率不同的这个轴叫做晶体光轴。如果光的偏振方向平行于晶体光轴，它的折射率为ne。如果光的偏振方向平行于其它轴，它的折射率为no。如果ne大于no，晶体为正单轴，否则为负单轴。

通过晶体的光波方向可由波矢量k表示，这相当于通常所说的光轴(Optical Axis)或传播轴方向。如果光为线偏振且偏振方向垂直于传播光轴和晶体光轴所在的平面，即k和ne所在的平面，那么它是ordinary ray，即寻常光(o光)，偏振方向为Eord。如果光为线偏振且偏振方向平行于上述平面，那么它是extraordinary ray，即非寻常光(e光)，偏振方向为Eext。

在上面的图示中，di 一 和 di 二 图展示了两种 te 殊 情况，k分别与ne和no重合，第三图则是任意角度。

不管传播方向如何，o光的折射率总是no。e光的折射率处于no和ne之间，取决于k和晶体光轴ne的夹角。e光的 you 效 折射率由下式计算：

光沿晶体光轴传播时，o光和e光具有相同的折射率和速度。

非线性光学经常提到某种Type的混频晶体：

就像polarization在光学中可能叫偏振，但在电学中可能叫做极化，Poincaré在数学中有庞加莱猜想，但在偏振表示法中有邦加球。我们还可能遇见多个伯努利，但他们可能只是亲戚而不是同一个人，而欧拉自己有一百多个术语使用他的名字。

Constant vs. Coefficient
法拉第旋转器能使偏振不可逆(non-reciprocal)旋转，旋转角由下式确定：

β = V x B x d

其中V经常被称为维尔德常数(Verdet constant)，但实际上，这个常数随波长而变。因此，这个术语有点用词不当，而维尔德系数(coefficient)才是更合理的名称。 

Reversal vs. Inversion

Reversed image, 左右相反像？

Inverted image, 上下倒立像？

Reversed and inverted image，旋转180度

回射器(角锥)使图像旋转180度

戴珍珠耳环的少女

前不久提到了OCT在文物保护中的应用，即研究人员使用Thorlabs高分辨率谱域OCT系统测量荷兰名画戴珍珠耳环的少女的表面高度。不过，这幅画的英文名其实是Girl with a Pearl Earring，而一般人看到中文翻译很难想到她其实只戴了一个耳环。在一本同名小说中，这一个耳环的描写实在是精彩感人。

但据说，英文把 he 兰 人Snel的名字拼错了几 bai 年。

OCT以 wu 创 成像采集3D亚表面信息

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