偏振概论

偏振概论

对于许多光学应用而言，了解和操纵光的偏振至关重要。 光学设计经常关注光的波长和强度，而忽略其偏振。 然而，偏振是光的重要属性，甚至影响那些未明确测量光的光学系统。 光的偏振会影响激光束的聚焦，影响滤光片的截止波长，并且对于防止有害的反向反射可能非常重要。 对于许多计量学应用来说，它是*的，例如玻璃或塑料中的应力分析，药物成分分析和生物显微镜。 材料还可以不同程度地吸收不同的偏振光，这是LCD屏幕，3D电影和减少眩光的太阳镜的基本属性。

了解偏振

光是电磁波，并且该波的电场垂直于传播方向振荡。 如果该电场的方向随时间随机波动，则称该光为非偏振光。 阳光，卤素灯，LED聚光灯和白炽灯泡等许多常见光源都会产生非偏振光。 如果光电场的方向定义明确，则称为偏振光。 偏振光常见的来源是激光。

根据电场的定向方式，我们将偏振光分为三种类型的偏振：

Ø线性偏振：光的电场沿着传播方向被限制在一个平面内（图1）。

Ø圆偏振：光的电场由两个相互垂直的线性成分组成，它们的振幅相等，但相位差为π/ 2。 产生的电场围绕传播方向沿圆周旋转，并且根据旋转方向，称为左旋或右旋圆偏振光（图2）。

Ø椭圆偏振：光的电场描述一个椭圆。 这是由具有不同幅度和/或不是π/ 2的相位差的两个线性分量的组合引起的。 这是对偏振光的一般描述，可以将圆形和线性偏振光视为椭圆偏振光的特殊情况（图3）。

图1：线性偏振光的电场沿着传播方向被限制在y-z平面（左）和x-z平面（右）。

图2：线性偏振光的电场（左）由两个幅度相等的垂直正交分量组成，没有相位差。 所得的电场波沿y = x平面传播。 圆偏振光的电场（右）由两个垂直的，振幅相等的线性分量组成，它们的相位差为π/ 2或90°。 产生的电场波循环传播。

图3：圆形电场（左）有两个分量，它们的振幅相等，相位差为π/ 2或90°。 但是，如果这两个分量具有不同的幅度，或者存在除π/ 2以外的相位差，则它们将产生椭圆偏振光（右）。

对于反射和透射而言重要的两个正交线性偏振状态称为p偏振和s偏振。 P偏振光（来自德国平行光）具有平行于入射平面偏振的电场，而S偏振光（来自德国senkrecht）垂直于入射平面。

图4：P和S是线性偏振，由它们相对于入射平面的相对方向定义。

操纵偏振

偏振片

为了选择光的特定偏振，使用了偏振片。 偏振片大致可分为反射，二向色和双折射偏振片。 有关哪种偏振片适合您的应用的更多详细信息，请参见我们的《偏振片选择指南》。

反射型偏振片在反射其余部分的同时透射所需的偏振。 线栅偏振片是这种情况的常见示例，它由许多彼此平行排列的细线组成。 沿着这些导线偏振的光被反射，而垂直于这些导线偏振的光被透射。 其他反射型偏振片使用布鲁斯特角。 布鲁斯特角是特定的入射角，在该入射角下仅反射s偏振光。 反射光束为s偏振，透射光束变为部分为p偏振。

二向色偏振片吸收特定的偏振光，其余的则透射。 现代的纳米粒子偏振片是二向色偏振片。

双折射偏振片依赖于折射率对光偏振的依赖性。 不同的偏振将以不同的角度折射，这可用于选择某些光的偏振。

非偏振光可以看作是p偏振和s偏振光的快速变化的随机组合。 理想的线性偏振片将仅透射两个线性偏振之一，从而将初始非偏振强度I0减小一半，

(1) 

对于强度为I0的线偏振光，通过理想偏振片I透射的强度可以由马卢斯定律描述，

(2) 

其中θ是入射线性偏振和偏振轴之间的夹角。 我们看到，对于平行轴，可以实现I00％的透射率，而对于90°轴（也称为交叉偏振片），可以实现0％的透射率。 在实际应用中，透射率永远不会准确地达到0％，因此，偏振片的消光比是其特征，该消光比可用于确定通过两个交叉偏振片的实际透射率。

波片

偏振片选择光的某些偏振，而放弃其他偏振，理想的波片会修改现有的偏振，而不会衰减，偏离或移动光束。 它们通过相对于其正交分量延迟（或延迟）偏振的一个分量来做到这一点。 为了帮助您确定适合您的应用的波片，请阅读了解波片。 正确选择的波片可以将任何偏振态转换为新的偏振态，并且常用于旋转线性偏振，以将线性偏振光转换为圆偏振光，反之亦然。

应用领域

在各种成像应用中，实施偏振控制可能很有用。 偏振片放置在光源，透镜或两者之上，以消除光散射造成的眩光，增加对比度并消除反射物体的热点。 这可以带出更强烈的色彩或对比度，或有助于更好地识别表面缺陷或其他隐藏的结构。

减少反射性热点和眩光

在图5中，将线性偏振片放置在机器视觉系统中的镜头前面，以消除模糊的眩光，从而可以清楚地看到电子芯片。 左图（不带偏振片）显示了物体和相机传感器之间许多玻璃表面的随机偏振光散射。 大部分芯片被非偏振光的菲涅耳反射所遮盖。 右图（带有偏光镜）显示了没有眩光的芯片，没有遮挡任何物体的细节，从而可以无障碍地查看，分析和测量芯片。

图5：将偏振片放在机器视觉相机镜头的前面，以减少来自镜头和电子芯片之间反射面的杂散光。

在图6中可以看到相同的现象。在左图（没有偏振片）中，来自太阳的非偏振光正在与Edmund Optics大楼的窗户相互作用，并且大部分光线都从窗户反射出来。 在正确的图像中，已应用了一个偏振滤光镜，使得一种偏振类型丰富的反射光被相机传感器阻挡，而使用另一种偏振类型的摄影师则可以更容易地看到建筑物。

图6：在DSLR相机镜头的前面放置了一个偏光镜，以减少来自植物叶子的部分反射表面的眩光。

观察偏振片如何减少反射眩光的另一典型方式是观察水面。 在图7中，水的表面在左侧图像中看起来是反射性的，从而掩盖了其下方的内容。 但是，在右侧，水体底部的岩石碎屑更加清晰可见。

图7：将偏光镜放在DSLR相机镜头的前面，以减少来自水的部分反射面的眩光。

热点是更漫反射的场中场的高反射部分。 在图8中，将偏振片放在相机镜头的前面以及光源上方，以照亮场景以减少热点。

图8：一个线性偏振片放置在光源上方，而另一个与一个偏振片垂直的偏振片放置在相机镜头上方，以消除热点。

通过使用两个垂直定向的线性偏振片使光交叉偏振，可以*减少或消除热点。

图9：这种成像方案是消除或减少散射，眩光或热点的一种方法。 光源被偏振片偏振，而将要成像的反射光再次被偏振片偏振，这一次被检偏器偏振。

两个偏振片的偏振轴之间的角度差与该组偏振片的总光衰减量直接相关。 通过改变角度偏移，可以改变偏振片组的光密度，从而获得与使用中性密度滤光片相似的效果。 这确保了整个场均匀照明。

改善对比度和色彩效果

环形光导因其均匀，漫射的照明而成为流行的照明源。 但是，环本身可能会产生眩光或反射。 分别使环形光输出和透镜偏振可减少这些影响，并带出表面细节，如图9所示。

图10：分别使环形光输出和透镜偏振，可以大大减少眩光效果，以显示重要的表面细节。

图11显示了Edmund Optics总部的照片，以及在相机镜头前使用或不使用偏光镜，天空，草地和树叶的颜色变化。 由于空气分子中的电子将光沿多个方向散射，因此没有偏光镜的天空外观为浅蓝色，如左图所示（不带偏光镜）。 另外，树木的叶子和草叶的表面反射性很小。 使用偏振片滤除从这些表面反射的一些光，使这些表面的感知颜色变暗。

图11：拍摄天空时，镜头前面的偏光镜可以显着改变天空的颜色。

压力评估

在诸如玻璃和塑料的无定形固体中，材料中温度和压力曲线的应力会赋予材料特性局部的变化和梯度，从而使材料具有双折射性和非均质性。 可以使用光弹性效应在透明物体中对此进行量化，因为可以使用偏振光方法测量应力及其相关的双折射。

图12：一副眼镜看起来清晰无偏光。 但是，使用偏振片可以使材料应力变化可见，并且它们表现为颜色变化。

交叉偏振片之间无应力的透明物体应产生一个*暗场，但是，当存在内部材料应力时，折射率的局部变化将旋转偏振角，从而导致透射率变化。

化学鉴定

偏振控制在化学，制药，食品和饮料行业中也非常重要。 许多重要的有机化合物，例如活性药物成分或糖，具有多种方向。 对具有多个方向的分子的研究称为立体化学。

具有相同类型和数量的原子但分子排列不同的分子化合物称为立体异构体。 这些立体异构体是“光学活性的”，并将使偏振光沿不同方向旋转。 旋转量由化合物的性质和浓度决定，可以通过旋光法检测和定量这些化合物的浓度。 这是鉴定样品中可能存在哪种立体异构体的前提，这很重要，因为立体异构体可能具有截然不同的化学作用。 例如，立体异构体柠檬烯是使橙和柠檬具有其*气味的化学物质。

图13：（+）-柠檬烯或D-柠檬烯（左）与橙子的气味有关，因为橙子中这种立体异构体的浓度高于其他异构体。 （+）-柠檬烯旋转入射光的方向。 （-）-柠檬烯或L-柠檬烯（右）与柠檬有关，因为它高度集中在柠檬中，并且使入射光沿与（+）-柠檬烯相反的方向旋转。

偏光显微镜

许多不同类型的显微镜技术，例如微分干涉对比（DIC）显微镜，都使用偏振镜来实现各种效果。

在简单的偏振显微镜系统中，线性偏振片放置在显微镜光源的前面，在样品台下方，以偏振进入系统的光。 放置在样品台上方的另一个线性偏振片称为“分析仪”，因为在分析样品时以及在一偏振片保持静止的同时，旋转该偏振片以获得所需的效果。 然后旋转检偏器，使得检偏器和偏振片的偏振平面相隔90°。 完成此操作后，显微镜的透射率将小（交叉偏振镜）； 光的透射量将与偏振片和检偏器的消光比成正比。

一旦检偏器与偏振片垂直对齐，就将各向异性或双折射的样品放在样品台上。 样品将偏振光旋转的量，该量与样品的厚度（以及光程距离）和样品的双折射成正比，然后再到达分析仪。

分析仪仅透射经历了样品引起的相移的光，并继续阻挡来自光源的所有未受影响的光，这些光初由偏振片偏振。 如果已知样品的双折射，则可以将其用于确定样品的厚度。 如果样品厚度已知，则可用于推断样品的双折射。 用于此目的的便利图表称为图14中的Michel-Levy干涉色表。

图14：Michel-Levy干涉图根据双折射和材料厚度显示了双折射材料的颜色。