偏振概論

對于許多光學(xué)應(yīng)用而言，了解和操縱光的偏振至關(guān)重要。 光學(xué)設(shè)計(jì)經(jīng)常關(guān)注光的波長和強(qiáng)度，而忽略其偏振。 然而，偏振是光的重要屬性，甚至影響那些未明確測量光的光學(xué)系統(tǒng)。 光的偏振會影響激光束的聚焦，影響濾光片的截止波長，并且對于防止有害的反向反射可能非常重要。 對于許多計(jì)量學(xué)應(yīng)用來說，它是*的，例如玻璃或塑料中的應(yīng)力分析，藥物成分分析和生物顯微鏡。 材料還可以不同程度地吸收不同的偏振光，這是LCD屏幕，3D電影和減少眩光的太陽鏡的基本屬性。

了解偏振

光是電磁波，并且該波的電場垂直于傳播方向振蕩。 如果該電場的方向隨時(shí)間隨機(jī)波動，則稱該光為非偏振光。 陽光，鹵素?zé)?，LED聚光燈和白熾燈泡等許多常見光源都會產(chǎn)生非偏振光。 如果光電場的方向定義明確，則稱為偏振光。 偏振光常見的來源是激光。

根據(jù)電場的定向方式，我們將偏振光分為三種類型的偏振：

Ø線性偏振：光的電場沿著傳播方向被限制在一個平面內(nèi)（圖1）。

Ø圓偏振：光的電場由兩個相互垂直的線性成分組成，它們的振幅相等，但相位差為π/ 2。 產(chǎn)生的電場圍繞傳播方向沿圓周旋轉(zhuǎn)，并且根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向，稱為左旋或右旋圓偏振光（圖2）。

Ø橢圓偏振：光的電場描述一個橢圓。 這是由具有不同幅度和/或不是π/ 2的相位差的兩個線性分量的組合引起的。 這是對偏振光的一般描述，可以將圓形和線性偏振光視為橢圓偏振光的特殊情況（圖3）。

圖1：線性偏振光的電場沿著傳播方向被限制在y-z平面（左）和x-z平面（右）。

圖2：線性偏振光的電場（左）由兩個幅度相等的垂直正交分量組成，沒有相位差。 所得的電場波沿y = x平面?zhèn)鞑ァ?圓偏振光的電場（右）由兩個垂直的，振幅相等的線性分量組成，它們的相位差為π/ 2或90°。 產(chǎn)生的電場波循環(huán)傳播。

圖3：圓形電場（左）有兩個分量，它們的振幅相等，相位差為π/ 2或90°。 但是，如果這兩個分量具有不同的幅度，或者存在除π/ 2以外的相位差，則它們將產(chǎn)生橢圓偏振光（右）。

對于反射和透射而言重要的兩個正交線性偏振狀態(tài)稱為p偏振和s偏振。 P偏振光（來自德國平行光）具有平行于入射平面偏振的電場，而S偏振光（來自德國senkrecht）垂直于入射平面。

圖4：P和S是線性偏振，由它們相對于入射平面的相對方向定義。

操縱偏振

偏振片

為了選擇光的特定偏振，使用了偏振片。 偏振片大致可分為反射，二向色和雙折射偏振片。 有關(guān)哪種偏振片適合您的應(yīng)用的更多詳細(xì)信息，請參見我們的《偏振片選擇指南》。

反射型偏振片在反射其余部分的同時(shí)透射所需的偏振。 線柵偏振片是這種情況的常見示例，它由許多彼此平行排列的細(xì)線組成。 沿著這些導(dǎo)線偏振的光被反射，而垂直于這些導(dǎo)線偏振的光被透射。 其他反射型偏振片使用布魯斯特角。 布魯斯特角是特定的入射角，在該入射角下僅反射s偏振光。 反射光束為s偏振，透射光束變?yōu)椴糠譃閜偏振。

二向色偏振片吸收特定的偏振光，其余的則透射。 現(xiàn)代的納米粒子偏振片是二向色偏振片。

雙折射偏振片依賴于折射率對光偏振的依賴性。 不同的偏振將以不同的角度折射，這可用于選擇某些光的偏振。

非偏振光可以看作是p偏振和s偏振光的快速變化的隨機(jī)組合。 理想的線性偏振片將僅透射兩個線性偏振之一，從而將初始非偏振強(qiáng)度I0減小一半，

(1) 

對于強(qiáng)度為I0的線偏振光，通過理想偏振片I透射的強(qiáng)度可以由馬盧斯定律描述，

(2) 

其中θ是入射線性偏振和偏振軸之間的夾角。 我們看到，對于平行軸，可以實(shí)現(xiàn)I00％的透射率，而對于90°軸（也稱為交叉偏振片），可以實(shí)現(xiàn)0％的透射率。 在實(shí)際應(yīng)用中，透射率永遠(yuǎn)不會準(zhǔn)確地達(dá)到0％，因此，偏振片的消光比是其特征，該消光比可用于確定通過兩個交叉偏振片的實(shí)際透射率。

波片

偏振片選擇光的某些偏振，而放棄其他偏振，理想的波片會修改現(xiàn)有的偏振，而不會衰減，偏離或移動光束。 它們通過相對于其正交分量延遲（或延遲）偏振的一個分量來做到這一點(diǎn)。 為了幫助您確定適合您的應(yīng)用的波片，請閱讀了解波片。 正確選擇的波片可以將任何偏振態(tài)轉(zhuǎn)換為新的偏振態(tài)，并且常用于旋轉(zhuǎn)線性偏振，以將線性偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，反之亦然。

應(yīng)用領(lǐng)域

在各種成像應(yīng)用中，實(shí)施偏振控制可能很有用。 偏振片放置在光源，透鏡或兩者之上，以消除光散射造成的眩光，增加對比度并消除反射物體的熱點(diǎn)。 這可以帶出更強(qiáng)烈的色彩或?qū)Ρ榷?，或有助于更好地識別表面缺陷或其他隱藏的結(jié)構(gòu)。

減少反射性熱點(diǎn)和眩光

在圖5中，將線性偏振片放置在機(jī)器視覺系統(tǒng)中的鏡頭前面，以消除模糊的眩光，從而可以清楚地看到電子芯片。 左圖（不帶偏振片）顯示了物體和相機(jī)傳感器之間許多玻璃表面的隨機(jī)偏振光散射。 大部分芯片被非偏振光的菲涅耳反射所遮蓋。 右圖（帶有偏光鏡）顯示了沒有眩光的芯片，沒有遮擋任何物體的細(xì)節(jié)，從而可以無障礙地查看，分析和測量芯片。

圖5：將偏振片放在機(jī)器視覺相機(jī)鏡頭的前面，以減少來自鏡頭和電子芯片之間反射面的雜散光。

在圖6中可以看到相同的現(xiàn)象。在左圖（沒有偏振片）中，來自太陽的非偏振光正在與Edmund Optics大樓的窗戶相互作用，并且大部分光線都從窗戶反射出來。 在正確的圖像中，已應(yīng)用了一個偏振濾光鏡，使得一種偏振類型豐富的反射光被相機(jī)傳感器阻擋，而使用另一種偏振類型的攝影師則可以更容易地看到建筑物。

圖6：在DSLR相機(jī)鏡頭的前面放置了一個偏光鏡，以減少來自植物葉子的部分反射表面的眩光。

觀察偏振片如何減少反射眩光的另一典型方式是觀察水面。 在圖7中，水的表面在左側(cè)圖像中看起來是反射性的，從而掩蓋了其下方的內(nèi)容。 但是，在右側(cè)，水體底部的巖石碎屑更加清晰可見。

圖7：將偏光鏡放在DSLR相機(jī)鏡頭的前面，以減少來自水的部分反射面的眩光。

熱點(diǎn)是更漫反射的場中場的高反射部分。 在圖8中，將偏振片放在相機(jī)鏡頭的前面以及光源上方，以照亮場景以減少熱點(diǎn)。

圖8：一個線性偏振片放置在光源上方，而另一個與一個偏振片垂直的偏振片放置在相機(jī)鏡頭上方，以消除熱點(diǎn)。

通過使用兩個垂直定向的線性偏振片使光交叉偏振，可以*減少或消除熱點(diǎn)。

圖9：這種成像方案是消除或減少散射，眩光或熱點(diǎn)的一種方法。 光源被偏振片偏振，而將要成像的反射光再次被偏振片偏振，這一次被檢偏器偏振。

兩個偏振片的偏振軸之間的角度差與該組偏振片的總光衰減量直接相關(guān)。 通過改變角度偏移，可以改變偏振片組的光密度，從而獲得與使用中性密度濾光片相似的效果。 這確保了整個場均勻照明。

改善對比度和色彩效果

環(huán)形光導(dǎo)因其均勻，漫射的照明而成為流行的照明源。 但是，環(huán)本身可能會產(chǎn)生眩光或反射。 分別使環(huán)形光輸出和透鏡偏振可減少這些影響，并帶出表面細(xì)節(jié)，如圖9所示。

圖10：分別使環(huán)形光輸出和透鏡偏振，可以大大減少眩光效果，以顯示重要的表面細(xì)節(jié)。

圖11顯示了Edmund Optics總部的照片，以及在相機(jī)鏡頭前使用或不使用偏光鏡，天空，草地和樹葉的顏色變化。 由于空氣分子中的電子將光沿多個方向散射，因此沒有偏光鏡的天空外觀為淺藍(lán)色，如左圖所示（不帶偏光鏡）。 另外，樹木的葉子和草葉的表面反射性很小。 使用偏振片濾除從這些表面反射的一些光，使這些表面的感知顏色變暗。

圖11：拍攝天空時(shí)，鏡頭前面的偏光鏡可以顯著改變天空的顏色。

壓力評估

在諸如玻璃和塑料的無定形固體中，材料中溫度和壓力曲線的應(yīng)力會賦予材料特性局部的變化和梯度，從而使材料具有雙折射性和非均質(zhì)性。 可以使用光彈性效應(yīng)在透明物體中對此進(jìn)行量化，因?yàn)榭梢允褂闷窆夥椒y量應(yīng)力及其相關(guān)的雙折射。

圖12：一副眼鏡看起來清晰無偏光。 但是，使用偏振片可以使材料應(yīng)力變化可見，并且它們表現(xiàn)為顏色變化。

交叉偏振片之間無應(yīng)力的透明物體應(yīng)產(chǎn)生一個*暗場，但是，當(dāng)存在內(nèi)部材料應(yīng)力時(shí)，折射率的局部變化將旋轉(zhuǎn)偏振角，從而導(dǎo)致透射率變化。

化學(xué)鑒定

偏振控制在化學(xué)，制藥，食品和飲料行業(yè)中也非常重要。 許多重要的有機(jī)化合物，例如活性藥物成分或糖，具有多種方向。 對具有多個方向的分子的研究稱為立體化學(xué)。

具有相同類型和數(shù)量的原子但分子排列不同的分子化合物稱為立體異構(gòu)體。 這些立體異構(gòu)體是“光學(xué)活性的”，并將使偏振光沿不同方向旋轉(zhuǎn)。 旋轉(zhuǎn)量由化合物的性質(zhì)和濃度決定，可以通過旋光法檢測和定量這些化合物的濃度。 這是鑒定樣品中可能存在哪種立體異構(gòu)體的前提，這很重要，因?yàn)榱Ⅲw異構(gòu)體可能具有截然不同的化學(xué)作用。 例如，立體異構(gòu)體檸檬烯是使橙和檸檬具有其*氣味的化學(xué)物質(zhì)。

圖13：（+）-檸檬烯或D-檸檬烯（左）與橙子的氣味有關(guān)，因?yàn)槌茸又羞@種立體異構(gòu)體的濃度高于其他異構(gòu)體。 （+）-檸檬烯旋轉(zhuǎn)入射光的方向。 （-）-檸檬烯或L-檸檬烯（右）與檸檬有關(guān)，因?yàn)樗叨燃性跈幟手校⑶沂谷肷涔庋嘏c（+）-檸檬烯相反的方向旋轉(zhuǎn)。

偏光顯微鏡

許多不同類型的顯微鏡技術(shù)，例如微分干涉對比（DIC）顯微鏡，都使用偏振鏡來實(shí)現(xiàn)各種效果。

在簡單的偏振顯微鏡系統(tǒng)中，線性偏振片放置在顯微鏡光源的前面，在樣品臺下方，以偏振進(jìn)入系統(tǒng)的光。 放置在樣品臺上方的另一個線性偏振片稱為“分析儀”，因?yàn)樵诜治鰳悠窌r(shí)以及在一偏振片保持靜止的同時(shí)，旋轉(zhuǎn)該偏振片以獲得所需的效果。 然后旋轉(zhuǎn)檢偏器，使得檢偏器和偏振片的偏振平面相隔90°。 完成此操作后，顯微鏡的透射率將小（交叉偏振鏡）； 光的透射量將與偏振片和檢偏器的消光比成正比。

一旦檢偏器與偏振片垂直對齊，就將各向異性或雙折射的樣品放在樣品臺上。 樣品將偏振光旋轉(zhuǎn)的量，該量與樣品的厚度（以及光程距離）和樣品的雙折射成正比，然后再到達(dá)分析儀。

分析儀僅透射經(jīng)歷了樣品引起的相移的光，并繼續(xù)阻擋來自光源的所有未受影響的光，這些光初由偏振片偏振。 如果已知樣品的雙折射，則可以將其用于確定樣品的厚度。 如果樣品厚度已知，則可用于推斷樣品的雙折射。 用于此目的的便利圖表稱為圖14中的Michel-Levy干涉色表。

圖14：Michel-Levy干涉圖根據(jù)雙折射和材料厚度顯示了雙折射材料的顏色。