偏振概論

對(duì)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(zhǎng)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(cè)量光的光學(xué)系統(tǒng)。 光的偏振會(huì)影響激光束的聚焦，影響濾光片的截止波長(zhǎng)，并且對(duì)于防止有害的反向反射可能非常重要。 對(duì)于許多計(jì)量學(xué)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，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(yáng)鏡的基本屬性。

了解偏振

光是電磁波，并且該波的電場(chǎng)垂直于傳播方向振蕩。 如果該電場(chǎng)的方向隨時(shí)間隨機(jī)波動(dòng)，則稱(chēng)該光為非偏振光。 陽(yáng)光，鹵素?zé)簦琇ED聚光燈和白熾燈泡等許多常見(jiàn)光源都會(huì)產(chǎn)生非偏振光。 如果光電場(chǎng)的方向定義明確，則稱(chēng)為偏振光。 偏振光常見(jiàn)的來(lái)源是激光。

根據(jù)電場(chǎng)的定向方式，我們將偏振光分為三種類(lèi)型的偏振：

Ø線(xiàn)性偏振：光的電場(chǎng)沿著傳播方向被限制在一個(gè)平面內(nèi)（圖1）。

Ø圓偏振：光的電場(chǎng)由兩個(gè)相互垂直的線(xiàn)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(chǎng)圍繞傳播方向沿圓周旋轉(zhuǎn)，并且根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向，稱(chēng)為左旋或右旋圓偏振光（圖2）。

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

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

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

圖3：圓形電場(chǎng)（左）有兩個(gè)分量，它們的振幅相等，相位差為π/ 2或90°。 但是，如果這兩個(gè)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(duì)于反射和透射而言重要的兩個(gè)正交線(xiàn)性偏振狀態(tài)稱(chēng)為p偏振和s偏振。 P偏振光（來(lái)自德國(guó)平行光）具有平行于入射平面偏振的電場(chǎng)，而S偏振光（來(lái)自德國(guó)senkrecht）垂直于入射平面。

圖4：P和S是線(xiàn)性偏振，由它們相對(duì)于入射平面的相對(duì)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(qǐng)參見(jiàn)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(xiàn)柵偏振片是這種情況的常見(jiàn)示例，它由許多彼此平行排列的細(xì)線(xiàn)組成。 沿著這些導(dǎo)線(xiàn)偏振的光被反射，而垂直于這些導(dǎo)線(xiàn)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(lài)于折射率對(duì)光偏振的依賴(lài)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(xiàn)性偏振片將僅透射兩個(gè)線(xiàn)性偏振之一，從而將初始非偏振強(qiáng)度I0減小一半，

(1) 

對(duì)于強(qiáng)度為I0的線(xiàn)偏振光，通過(guò)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(xiàn)性偏振和偏振軸之間的夾角。 我們看到，對(duì)于平行軸，可以實(shí)現(xiàn)I00％的透射率，而對(duì)于90°軸（也稱(chēng)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(huì)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(guò)兩個(gè)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(huì)修改現(xiàn)有的偏振，而不會(huì)衰減，偏離或移動(dòng)光束。 它們通過(guò)相對(duì)于其正交分量延遲（或延遲）偏振的一個(gè)分量來(lái)做到這一點(diǎn)。 為了幫助您確定適合您的應(yīng)用的波片，請(qǐng)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(xiàn)性偏振，以將線(xiàn)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(duì)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榷龋蛴兄诟玫刈R(shí)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(xiàn)性偏振片放置在機(jī)器視覺(jué)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(méi)有眩光的芯片，沒(méi)有遮擋任何物體的細(xì)節(jié)，從而可以無(wú)障礙地查看，分析和測(cè)量芯片。

圖5：將偏振片放在機(jī)器視覺(jué)相機(jī)鏡頭的前面，以減少來(lái)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(méi)有偏振片）中，來(lái)自太陽(yáng)的非偏振光正在與Edmund Optics大樓的窗戶(hù)相互作用，并且大部分光線(xiàn)都從窗戶(hù)反射出來(lái)。 在正確的圖像中，已應(yīng)用了一個(gè)偏振濾光鏡，使得一種偏振類(lèi)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(lèi)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(gè)偏光鏡，以減少來(lái)自植物葉子的部分反射表面的眩光。

觀(guān)察偏振片如何減少反射眩光的另一典型方式是觀(guān)察水面。 在圖7中，水的表面在左側(cè)圖像中看起來(lái)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(jiàn)。

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

熱點(diǎn)是更漫反射的場(chǎng)中場(chǎng)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(chǎng)景以減少熱點(diǎn)。

圖8：一個(gè)線(xiàn)性偏振片放置在光源上方，而另一個(gè)與一個(gè)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(guò)使用兩個(gè)垂直定向的線(xiàn)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(gè)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(guò)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(gè)場(chǎng)均勻照明。

改善對(duì)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(huì)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(shù)葉的顏色變化。 由于空氣分子中的電子將光沿多個(gè)方向散射，因此沒(méi)有偏光鏡的天空外觀(guān)為淺藍(lán)色，如左圖所示（不帶偏光鏡）。 另外，樹(shù)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(píng)估

在諸如玻璃和塑料的無(wú)定形固體中，材料中溫度和壓力曲線(xiàn)的應(yīng)力會(huì)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(duì)此進(jìn)行量化，因?yàn)榭梢允褂闷窆夥椒y(cè)量應(yīng)力及其相關(guān)的雙折射。

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

交叉偏振片之間無(wú)應(yīng)力的透明物體應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)*暗場(chǎng)，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(duì)具有多個(gè)方向的分子的研究稱(chēng)為立體化學(xué)。

具有相同類(lèi)型和數(shù)量的原子但分子排列不同的分子化合物稱(chēng)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(guò)旋光法檢測(cè)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(lèi)型的顯微鏡技術(shù)，例如微分干涉對(duì)比（DIC）顯微鏡，都使用偏振鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)各種效果。

在簡(jiǎn)單的偏振顯微鏡系統(tǒng)中，線(xiàn)性偏振片放置在顯微鏡光源的前面，在樣品臺(tái)下方，以偏振進(jìn)入系統(tǒng)的光。 放置在樣品臺(tái)上方的另一個(gè)線(xiàn)性偏振片稱(chēng)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(duì)齊，就將各向異性或雙折射的樣品放在樣品臺(tái)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(lái)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(chēng)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。