偏正介绍

理解和改变光的偏振对于许多光学应用都至关重要。光学设计经常专注于光的波长和强度,而忽略了其偏振特性。然而,偏振是光的一个重要特性,即使是那些没有明确定义偏振的光学系统也会受到影响。光的偏振会影响激光束的焦点，影响滤光片的截止波长，并且在防止不必要的反射的设计中也很关键。它对于许多计量应用至关重要，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学。不同偏振的光也可以被材料以不同的程度吸收，这是液晶屏幕、3D电影和防眩光的太阳镜的一个重要原理。 

理解偏振化

光是一种电磁波,它的电场在垂直于传播的方向上振荡。如果电场的方向随时间随机变化，则光称为偏振光。许多常见的光源,如阳光，卤素照明，LED聚光灯和白炽灯泡产生的都是非偏振光。如果光场的方向是确定的,它被称为偏振光。最常见的偏振光源是激光。

根据电场的方向,我们将偏振光分为三种类型:

• 线性偏振:光的电场沿传播方向限制在单个平面上(图1 )。 
• 圆偏振:光的电场由两个相互垂直的线性分量组成,振幅相等,但相位差为 π/2。由此产生的电场围绕传播方向以一个圆形旋转,根据旋转方向,被称为左右旋圆偏振光 (图2 )。 
• 椭圆偏振:光的电场变化轨迹为椭圆。该偏振态描述了由两个具有不同振幅的分量或相位差不是π/2的线性分量，或这两种情况共同作用的情况生成的偏振光。这是偏振光最一般的描述,圆形和线性偏振光可以看作椭圆偏振光的特殊情况(图3 )。  

 

对于反射和透射来说，两个最重要的正交线性偏振态被称为p偏振和s偏振。P偏振(来自德语的parallel)光有一个电场极化平行于入射平面,而S偏振(来自德语的senkrecht) 则垂直于这个平面

图4：P偏振和S偏振是线性偏振，它们通过相对于入射平面的相对方向来定义。

操纵偏振态

偏振片

为了选择特取偏振态的光，需要使用 偏振片 。偏振片 可以大致分为反射式、二色性和双折射偏振片。为了详细了解哪种类型的偏振片适合您的应用，可以了解我们的 偏振片选择指南。

反射偏振片透射所需的偏振态,同时反射其余的偏振态。线栅偏振片就是一个常见的例子,它由许多彼此平行排列的细线组成。沿这些导线方向偏振的光被反射，而垂直于这些导线极化的光能透射。其他反射式偏振片基于布儒斯特角。布儒斯特角是一个特定的入射角度,在这个角度下只有s偏振光被反射。反射光束为s偏振态，透射光束变为部分p偏振态。

二向色偏振片吸收特定的偏振态的光,而透射其余的偏振态;现代纳米粒子偏振片是二向色偏振片。

双折射偏振片的原理基于光的偏振状态对折射率的相关性。不同偏振状态的光会在不同角度发生折射，这一特性可用于选择特定偏振状态的光。

无偏振光可以被视为p偏振光和s偏振光的快速变化的随机组合。理想的线性偏振片将只透射两个线性偏振态中的一个，使得初始非偏振强度I₀减半，

对于强度为I_0的线性偏振光,通过理想偏振片I传输的强度可以用马鲁斯定律来描述,

其中 θ 是入射线性偏振方向和偏振轴之间的角度。当偏振轴平行时，透射率可达100%；而当偏振轴成90°时（即交叉偏振片），透射率为0%。在实际应用中，透射率不可能完全达到0%，因此偏振片中使用消光比来表征性能，该参数通过两个交叉偏振片的实际透射率表征。

波片

与偏振片选择特定偏振态并舍弃其他偏振态不同，理想的波片通过延迟一个偏振分量相对于其正交分量的方式来修改现有偏振状态，而不衰减、偏转或位移光束。它们通过延迟（或延缓）偏振的一个分量相对于其正交分量的方式来实现这一点。为了帮助您选择最适合应用的波片，请参阅了解波片。正确选择的波片可以将任何偏振状态转换为新的偏振状态，常用于旋转线性偏振、将线性偏振光转换为圆偏振光，或反之亦然。

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应用

进行偏振态控制在各种成像应用中都很有用。偏振片安装在光源，镜头或两者都安装，以消除光散射引起的眩光，提高对比度并消除物体反射所起的热点。这可以带来更明亮的色彩或对比度,或有助于更好地识别表面缺陷或其他隐藏的结构。

减少反射热点和眩光

在图5中,在机器视觉系统的镜头前面放置了一个线性偏振片,以消除模糊的眩光,从而使电子芯片清晰可见。左侧图像(无偏振片)展示了随机偏振态的光从物体和相机之间的许多玻璃表面散射出来的过程。由于无偏振光的菲涅尔反射，芯片的大部分信息被遮挡。右图（有偏振片）展示了芯片，没有任何眩光遮挡物体细节，使得芯片可以被无障碍地观察、分析和测量。

 

同样的现象可以在图6中得到展示。在左边的图像(没有偏振片)中,来自太阳的未偏振光与Edmund Optics大楼的窗户相互作用，大部分光线从窗户反射。在右图中，应用了偏振片，使得富含某一偏振类型的光线被阻挡在相机传感器之外，摄影师利用另一偏振类型的光线可以更轻松地看到大楼内部。

 

另一个偏振片如何减少反射眩光的典型案例是观察水面。在图7中，水的表面在左图中出现反射，模糊了水面以下的区域。然而,在右边, 水体底部的岩石碎片则清晰可见。 

 

图7：单反相机镜头前面安装了偏光镜,以减少来自部分反射表面的眩光。

热点是漫反射场中高度反射的区域。在图8中,偏振片被放置在相机镜头前以及照亮场景的光源上，以减少热点。

 

图8：一个线性偏振片放置在光源上方，另一个偏振片与第一个偏振轴方向的偏振片放置在相机镜头上方，以消除热点。

通过使用两个偏振轴方向垂直的线性偏振片，生成光线的交叉偏振,可以减少或完全消除热点。

图9：此成像方案是消除或减少散射，眩光或热点的一种方法。光源被偏振片产生偏振，将要成像的反射光再次被偏振，这次是作为检偏器。

两个偏振片的偏振轴之间的角差直接关系到偏振片组的总光衰减量。通过改变角度偏移,偏振片组的光学密度可以改变,达到与使用中性密度滤波器类似的效果。这确保了整个视场的均匀照明。

改善对比度和色彩效果

环形光导因其均匀、漫射的照明而受欢迎。然而，可能会出现环形本身的眩光或反射。将环形光输出和镜头进行不同的偏振滤波可以减少这些影响,并突出表面细节,如图9所示。 

图10：分别使用偏振片进行滤波，环形光输出和镜头在滤波后可以大大减少眩光效果，揭示重要的表面细节。

图11显示了Edmund Optics埃德蒙光学总部拍摄的照片，以及在相机镜头前安装或不安装偏光片时天空，草地和树叶颜色的变化。由于空气分子中的电子在多个方向上散射光，无偏振片的天空展现出更浅的蓝色，如左图（无偏振片）所示。此外，树叶和草叶表面有非常轻微反光。使用偏振片过滤掉这些表面反射的一些光线，使这些表面的颜色显得更暗。

 

图11：拍摄天空时,镜头前面的偏光镜可以显著改变天空的颜色。

应力测量

在玻璃和塑料等非晶态固体中，材料内部的温度和压力分布引起的应力会导致材料性质的局部变化和梯度分布，使材料呈现双折射特性和非均质性。这种效应可以通过光弹性效应理论在透明物体中进行量化，因此应力和其相关的双折射可以通过偏振光方法进行测量。

图12：一对眼镜在没有偏振时看起来是透明的;但是,偏振片的使用使材料应力变化可见, 最终表现为颜色变化。

偏振轴垂直的偏振片之间的无应力透明物体应产生完全黑暗的像面光场，但是，当存在内部材料应力时，折射率的局部变化会改变透射光的偏振角度，从而导致透射率变化。 

化学鉴定

偏振控制在化工，制药，食品和饮料行业也非常重要。许多重要的有机化合物,如活性药物成分或糖,都有多个轴。多轴分子的研究称为立体化学。

具有相同类型和数量原子的分子化合物，但分子排列不同的分子化合物称为立体异构体。这些立体异构体具有"光学活性"，将对偏振光产生不同的偏振方向的改变。偏振轴旋转量由化合物的性质和浓度决定，允许偏振法检测和量化这些化合物的浓度。这是确定样品中可能存在哪种立体异构体的前提，这一点很重要，因为立体异构体可能具有截然不同的化学效应。例如,立体异构体柠檬烯是使橙子和柠檬具有独特气味的化学物质。

图13：(+)-Limonene或D-Limonene (左)与橙子的气味有关,因为相比其他水果橙子具有更高浓度的立体异构体。(+)- Limonene旋转入射光的方向。(-)-Limonene或L-Limonene (右)与柠檬有关,因为它在柠檬中有较高浓度,并且它以相反的方向旋转入射光(+)-Limonene。

偏振显微镜

许多不同类型的显微成像技术,如差分干涉差(DIC)显微镜等，都利用偏振片来实现各种成像效果。

在简单的偏振显微成像系统中,线性偏振片被放置在显微镜光源的前方,放在样品台下,将进入系统的光线转换为偏振光。放置在样品台上方的另一个线性偏振片被称为"检偏器"，因为在分析样品和保持第一个偏振片静止时，这个偏振片将旋转以达到所需效果。然后旋转检偏器，使检偏器和偏振片的偏振轴成90°夹角。当达到这一状态时,显微镜所具有最小的透射率(垂直偏振片);光的透射量将与偏振片和检偏器的消光比成正比。

在检偏器与偏振片的偏振轴垂直对齐后，将各向异性或双折射的样品置于样品台上。在光线到达检偏器之前, 将入射光的偏振轴旋转一个特定角度,与样本厚度(从而与光路径距离)和样本双折射成正比。

检偏器仅透射经过样品发生相移的光，并继续阻挡来自光源的其他未受影响的光，而光源是经过了偏振片过滤的偏振光源。如果已知样品的双折射特性，则可用于确定样品厚度。如果标本厚度已知,它可以用来推断标本的双折射特性。用于此目的的快捷度量图表称为图14Michel-Levy干涉颜色图表。

图14：Michel-Levy干涉图以不同颜色表示双折射材料，该颜色取决于材料的双折射性质和厚度。