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那些令人費解的光學術語

原創 trivial Thorlab 索雷博

Meta-Optics

如果說科技世界正在邁入元宇宙(meta-verse)時代，那么超材料(meta-material)也許是其中重要的一環，而激光當然是 bu 可 huo 缺 的，而這多虧了某些能級的亞穩態(meta-stable)特性。

您看，英文一個meta就有這么多的中文變形(meta-morphosis)，因此翻譯真是一門玄學(meta-physics)。

除了超材料或超透鏡，我們還常聽到：

● 超快(ultra-fast)光學、超穩(ultra-stable)激光

● 超分辨(super-resolution)、chao 級 反射鏡(super-mirror)

● 超光譜(hyper-spectroscopy)

● 超現實主義(sur-realism)

您看，英文不同的前綴，中文一字譯之：超。

Thorlabs PDH超穩激光裝置

Transverse vs. Lateral

這兩個詞都有橫向的意思，但從哪里橫是一個問題。引用Thorlabs正彎月透鏡應用的英文描述：

…the transverse and lateral aberrations are greatly reduced.

雖然這句話的翻譯有點費勁，但對比圖示很容易看出哪兩個方向的像差大為減小。如果以光軸為參考，也許我們可以把transverse叫做橫向，而lateral叫做軸向或縱向？

單平凸透鏡 像差大              雙平凸透鏡 像差減小           平凸加彎月透鏡 像差繼續減小

但是，當一個傾斜的玻璃片使光束產生lateral displacement時，我們也稱之為橫向位移。

光束橫向位移圖示和計算

橫模 vs. 縱模

● transverse或radial mode為橫模

● longitudinal或axial mode為縱模

橫模與縱模

單模更多應該是指單橫模，或者說單空間模式，而且通常滿足高斯分布。因此，單模激光器或單模光纖輸出衍射 ji 限 光束。

單模也可能指單縱模。單橫模不 yi 定 是單縱模，那單縱模 yi 定 是單橫模和單頻嗎？

分析復雜的橫模圖案，可使用CMOS相機式光束輪廓儀。分析精細的縱模結構，可使用共聚焦法布里珀 luo 干 涉儀。

CMOS光束輪廓儀                      FPI光譜分析儀

M2 vs. Q

兩者都叫做質量因子。

M2叫做光束質量因子或傳播因子。M2等于光束參量積(BPP，束腰半徑與發散半角之積)與λ/π的比值，其中λ/π為相同波長的衍射 ji 限 光束參量積。因此，衍射 ji 限 光束的M2因子為1，這就是高斯光束。由于高階模的存在和不均勻增益導致的振幅和相位畸變等原因，激光光束將偏離高斯形狀。

但是，M2為什么有個2呢？

Quality叫做腔的質量因子。共振腔要形成穩定的振蕩，往返增益需大于損耗，而Q因子可定義為往返增益與往返損耗之比。因此，Q值越高損耗越小。Q開關激光器的本質就是調制損耗和載流子反轉閾值。對于低Q值，由于高損耗和高閾值，即使激光材料中的能量和增益都很高也無法形成激光振蕩，所以載流子反轉閾值將遠高于普通激光器。恢復高Q值后，能量瞬間釋放，發射一個巨脈沖。

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節的標題：光的受激輻射放大。如果把of radiation譯為光的，內心有 yi 波 黑體輻射在翻騰。或者，我們把laser用作名詞，lase用作動詞，即產生激光的動態過程。這么一看，R好像可有可無了。

也許電子能夠理解這種復雜的心情：受泵浦光子激發(excited)后，它從基態上升到激發態；受信號光子激發(stimulated)后，它從激發態回到了基態。同樣是受激，但電子經歷了相反的躍遷過程。當然，我們有了兩個信號光子，實現了受激輻射。

有人說，可見光是一個令人誤解的術語；因為光本身是不可見的，它只是讓一定的物體可見。在激光世界，光不僅僅是可見光，紫外、紅外甚至太赫茲等不可見光也是光。畢竟，人眼不可見的光，Thorlabs還有很多不同的探測器。

即使，
OPTICS = Our Personal Torture Is Crazily Severe

但是，
LASERS = Life Always Shines, Remember to Smile

光軸以及o光和e光

對于雙折射晶體或偏振光學元件，光軸(Optic Axis)是指折射率不同的某個軸。三維晶體有三個不同的折射率，如果一個折射率和其它兩個不同，這就是單軸晶體，而三個折射率都不同則為雙軸晶體。

對于單軸晶體，折射率不同的這個軸叫做晶體光軸。如果光的偏振方向平行于晶體光軸，它的折射率為ne。如果光的偏振方向平行于其它軸，它的折射率為no。如果ne大于no，晶體為正單軸，否則為負單軸。

通過晶體的光波方向可由波矢量k表示，這相當于通常所說的光軸(Optical Axis)或傳播軸方向。如果光為線偏振且偏振方向垂直于傳播光軸和晶體光軸所在的平面，即k和ne所在的平面，那么它是ordinary ray，即尋常光(o光)，偏振方向為Eord。如果光為線偏振且偏振方向平行于上述平面，那么它是extraordinary ray，即非尋常光(e光)，偏振方向為Eext。

在上面的圖示中，di 一 和 di 二 圖展示了兩種 te 殊 情況，k分別與ne和no重合，第三圖則是任意角度。

不管傳播方向如何，o光的折射率總是no。e光的折射率處于no和ne之間，取決于k和晶體光軸ne的夾角。e光的 you 效 折射率由下式計算：

光沿晶體光軸傳播時，o光和e光具有相同的折射率和速度。

非線性光學經常提到某種Type的混頻晶體：

就像polarization在光學中可能叫偏振，但在電學中可能叫做極化，Poincaré在數學中有龐加萊猜想，但在偏振表示法中有邦加球。我們還可能遇見多個伯努利，但他們可能只是親戚而不是同一個人，而歐拉自己有一百多個術語使用他的名字。

Constant vs. Coefficient
法拉第旋轉器能使偏振不可逆(non-reciprocal)旋轉，旋轉角由下式確定：

β = V x B x d

其中V經常被稱為維爾德常數(Verdet constant)，但實際上，這個常數隨波長而變。因此，這個術語有點用詞不當，而維爾德系數(coefficient)才是更合理的名稱。

Reversal vs. Inversion

Reversed image, 左右相反像？

Inverted image, 上下倒立像？

Reversed and inverted image，旋轉180度

回射器(角錐)使圖像旋轉180度

戴珍珠耳環的少女

前不久提到了OCT在文物保護中的應用，即研究人員使用Thorlabs高分辨率譜域OCT系統測量荷蘭名畫戴珍珠耳環的少女的表面高度。不過，這幅畫的英文名其實是Girl with a Pearl Earring，而一般人看到中文翻譯很難想到她其實只戴了一個耳環。在一本同名小說中，這一個耳環的描寫實在是精彩感人。

但據說，英文把 he 蘭 人Snel的名字拼錯了幾 bai 年。

OCT以 wu 創 成像采集3D亞表面信息

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