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什么是偏振片？
來源： 閱讀：962 發(fā)布時(shí)間：2023-03-23 14:03:28
什么是偏振片？
偏振片英文：polarizers
定義：是一種光濾波器，光的透射率與偏振方向直接相關(guān)。
偏振片是一種光濾波器，其中光的透射率與其偏振狀態(tài)直接相關(guān)。通常是某一方向的線偏振光可以通過，而偏振方向與其垂直的光則不能通過：會被吸收或者反射到其它的方向上。 
還可以制作只有特定方向的圓偏振光可以通過的器件，一般是采用一個或者多個四分之一波片與線偏振片結(jié)合起來。 
偏振片并不能將任意偏振態(tài)的入射光轉(zhuǎn)化成需要的偏振方向。它只能消除不需要的偏振光。 
理想偏振片與實(shí)際偏振片 
理想的偏振片具有下列性質(zhì)： 
特定的線偏振態(tài)的光可以完全通過（不會產(chǎn)生任何能量損耗），而與其垂直的方向偏振的光則完全不能通過。 
通過光的偏振度為100%，并且電場橫截面不會發(fā)生改變。 
任何波長、任意功率的光都適用。 
實(shí)際中的偏振片并非如此。實(shí)際中，它會吸收或反射一部分的能量，并且吸收部分的能量會引起熱效應(yīng)引起光束畸變。性能很大程度上取決于所采用的偏振片的類型。 
不同情況下采用偏振片的目的是不同的： 
有時(shí)采用偏振片是為了保證輸出是線偏振的（具有很高的偏振度），因此入射光偏振態(tài)的改變等是不關(guān)心的。 
有些情況下需要分離開不同的偏振成分。通常，二者都需要很高的偏振度。 
偏振片也可以用于偏振合束，得到的光可能是偏振的也可能是非偏振的。（參閱偏振合束。） 
光學(xué)偏振片的類型 
吸收偏振片（二色性偏振片）
低功率時(shí)，通常采用偏光過濾器（偏振板）。包含一個特殊摻雜的塑料板（復(fù)合材料），并且在一個方向上存在拉伸，這樣復(fù)合物大致在一個方向上排列。光的偏振方向與該方向一致時(shí)會被強(qiáng)烈吸收，而垂直于該方向的光吸收則非常弱。這種聚合物板通常放置在很堅(jiān)固的物體上面，通常在上面存在標(biāo)記，指示max透射對應(yīng)的方向。 
偏光鏡也是采用類似的板。太陽鏡中只有豎直偏振的光可以透射。這可以減小從水表面反射的強(qiáng)光，因?yàn)樗狡窆庠谠摫砻嫔系姆瓷涓鼜?qiáng)。在3D偏振眼睛中，一只眼睛得到的是垂直偏振光，而另一只眼睛則是水平偏振光。因此，3D顯示器透射不同的影像到人的兩只眼睛中。 
聚合物板偏振片可以非常大，并且很便宜。 
更新的吸收偏振片是將銀或銅納米顆粒嵌入到薄玻璃片上得到的。這種玻璃偏振片非常昂貴，并且現(xiàn)在還不能制作非常大的尺寸，但是在偏振消光比方面比傳統(tǒng)的好很多。層壓結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固，并且波前畸變很小。 
吸收濾波器只能工作在有限的功率范圍內(nèi)（損傷閾值低），因?yàn)槲盏哪芰繒D(zhuǎn)化成熱，然后引起光學(xué)損傷。對于一個簡單的聚合物板偏振片，光強(qiáng)只能達(dá)到 1 W/cm2。 
利用雙折射的偏振分束器
將不能通過偏振片的光反射到其它方向時(shí)，偏振片就可以工作于更高功率的情況。（如果反射后需要把光吸收，可以采用束流收集器，它能夠承擔(dān)比光學(xué)器件高很多的功率。）大多數(shù)偏振分束器利用了透明晶體材料的雙折射，例如，石英（SiO2），方解石（CaCO3），釩酸釔（YVO4），β-硼酸鋇（BBO）或氟化鎂（MgF2）。通常會將兩種不同光軸指向的材料粘在一起（或者中間存在很小的空隙）。裝置會采用聚合物外殼，其中包含一個束流收集器來吸收不能通過的光。 
圖1：Glan-Taylor棱鏡。
S偏振光發(fā)生全反射，而由于入射角接近于布儒斯特角，因此p偏振的反射率很小。
雙折射偏振片采用了不同的物理原理： 
有的偏振片，例如，Nichol棱鏡， Glan-Thompson棱鏡，Glan-Taylor棱鏡和Glan-Foucault棱鏡，一個偏振態(tài)會發(fā)生全反射，而另一個偏振態(tài)不會，因此可以得到完全不同的輸出光束。 
還有一些其它的偏振片，例如，Wollaston棱鏡，Nomarski棱鏡，Rochon棱鏡和Senarmont棱鏡，利用雙折射后得到不同的折射角。這里兩束光分離的比較小。 
這些雙折射晶體偏振片的差別體現(xiàn)在： 
用作偏振分束器的，例如Wollaston棱鏡，兩個出射光束是完全偏振的。而其它的裝置則不是，例如，Glan-Thompson棱鏡，Glan-Foucault棱鏡和Glan-Taylor棱鏡（這些也可以優(yōu)化成分束器）。很多情況下只需要用到一個出射光，因此這一方面不太需要考慮。 
有些偏振片中（例如，Glan-Taylor透鏡，Glan-Foucault棱鏡，Rochon棱鏡和Senarmont棱鏡），只有一束光沒有偏移，即在偏振器中連續(xù)傳播，傳播方向與入射光束相同。 
有些器件只適用于某一很窄范圍內(nèi)的入射角度，而有些器件的接受角范圍很大。例如，Glan-laser棱鏡是在Glan-Taylor棱鏡基礎(chǔ)上變化而來的，只工作于很窄入射角范圍（采用弱發(fā)散激光光束時(shí)沒有問題），但是光學(xué)損耗很小，損傷閾值很高。 
采用膠黏劑的器件比采用空隙的器件的光學(xué)損傷閾值低。 
很多偏振片具有抗反射涂層，該涂層只在有限波長范圍內(nèi)起作用。 
有些晶體材料，例如BBO，可以工作于很短波長時(shí)，例如紫外光譜區(qū)域，而其它的則適用于紅外光。 
由于不同條件下對偏振片的要求不同，因此需要設(shè)計(jì)多種雙折射偏振片來滿足實(shí)際的需求。 
薄膜偏振片
圖2：薄膜偏振片
薄膜偏振片也有很多類型。圖2所示的薄膜偏振片包含了玻璃襯底和其上的介質(zhì)涂層。（襯底材料不需要是雙折射的。）在非垂直入射時(shí)（入射角在某一范圍），涂層的反射率與偏振有關(guān)?？赡茉谄D(zhuǎn)角為90°處得到?jīng)]有通過的光束。很多薄膜偏振器都工作于布儒斯特角度，這時(shí)不需要采用抗反射涂層。 
偏光立方體分束器是在一個45°棱鏡上采用介質(zhì)涂層，另一個45°棱鏡黏在涂層上，因此總體是一個立方體結(jié)構(gòu)。 
它們只能工作在有限波長范圍內(nèi)，多層介質(zhì)中的干涉效應(yīng)與波長有關(guān)。然而，還是可以工作在幾百納米的范圍內(nèi)的。 
薄膜偏振片的一個優(yōu)勢在于可以制作很大的尺寸，這對于晶體（雙折射）偏振片很困難。 
詞條薄膜偏振片中包含了更多的細(xì)節(jié)。 
線柵偏振片
線柵偏振片是將很窄（亞波長）的金屬條制備在玻璃襯底上（采用光刻技術(shù)）或制備在無支撐設(shè)備上（波長更長時(shí)）。這種裝置會反射s偏振光，p偏振光則會透射。這種偏振片可以工作在很高功率的情況。 
偏振片的主要參數(shù) 
偏振片可由下面一些參數(shù)來表征其性能： 
透射偏振態(tài)的損耗需要盡量小。這里并不用損耗來表征，而是采用通過量（例如，99.5%）。該參數(shù)受限于抗反射涂層。 
需要盡量抑制不能通過的偏振光。常用的參數(shù)是偏振消光比（或?qū)Ρ榷龋?，是最小透射率與最大透射率的比值。普通的板偏振片的消光比僅為1:500，而高質(zhì)量雙折射偏振片（例如，Glan-Taylor棱鏡）可以達(dá)到1：106。有時(shí)也需要表征消光本身，是入射光中不能通過的光占入射光束的比值。偏振片中兩個輸出光的偏振消光比可能差別很大。例如，偏振立方體的反射光束比透射光束的偏振消光比低很多。 
每個偏振片都有標(biāo)稱的波長范圍。也就是在該范圍內(nèi)可以得到其他參數(shù)的值。激光線偏振片通常是薄膜偏振片，通常優(yōu)化在某一窄波長范圍內(nèi)工作，并且性能很好。基于雙折射的薄膜偏振片可以工作在很寬的波長范圍內(nèi)。 
入射角度范圍也是有限的。例如，偏振立方體工作的角度范圍很窄（只有3°），采用強(qiáng)發(fā)散光是不適用的，但是將其用于準(zhǔn)直激光光束不存在任何問題。有些偏振片的角度范圍可以達(dá)到10°甚至更大。尤其是二色性玻璃偏振片和線柵偏振片。 
在很多應(yīng)用中需要波長畸變很小，否則偏振器會使光束質(zhì)量變差。考慮到這個方面，二色性聚合物偏振片和線柵偏振片就存在問題，而晶體偏振片的波前畸變很小。 
每個偏振片都存在最大的平均功率。對于非吸收偏振片，在寄生損耗比較小時(shí)，該功率會比較高。 
尤其是當(dāng)采用強(qiáng)激光脈沖工作時(shí)，例如調(diào)Q激光器，光學(xué)閾值損耗很重要。在峰值功率很高時(shí)，需要很大的通光孔徑。然而，大的通光孔徑通常價(jià)格更高，尤其是晶體（雙折射）偏振片。而薄膜偏振片和板偏振片，制作很大的尺寸比較容易。 
在實(shí)際應(yīng)用中，幾何特性也是很需要關(guān)心的。有的偏振片比通光孔徑長，而有的則非常薄。反射的偏振組分的角度也是非常重要的?？梢栽O(shè)計(jì)為45°，有的情況下，需要得到足夠大的角方向的分離。 
還有一個關(guān)心的參數(shù)是引入的色散大小，例如，當(dāng)超短脈沖透過長的晶體偏振器的情況下。 
在極限波長區(qū)域很難得到很好性能的偏振片，尤其是紫外光譜區(qū)域。 
在具體應(yīng)用中選擇合適的偏振片也是相對比較復(fù)雜的，因?yàn)樾枰紤]到很多方面和很多參數(shù)。不同情況下有不同的要求也是為什么存在如此多種類的偏振片的原因。 
光學(xué)偏振器的應(yīng)用 
偏振器具有很多種的用途。例如： 
偏振太陽鏡和照相用濾波器可以抑制太陽光在水平面的反射光，該反射光通常是部分偏振的。 
激光器諧振腔中的偏振片會使激光器輻射線偏振光。這里通常不需要很高的偏振消光比；采用一個簡單的布儒斯特盤就足夠了。 
如果激光光束本身是線偏振的，但是偏振度不高，可以將該光束射向一個具有很高偏振消光比的偏振片提高其偏振度（并且保證偏振方向穩(wěn)定）。 
將波片和一個偏振片結(jié)合在一起可以作為一個可變的光衰減器：旋轉(zhuǎn)波片使其偏振方向旋轉(zhuǎn)，偏振片的透射率相應(yīng)的會發(fā)生改變。 
法拉第隔離器通常包含兩個偏振器和一個法拉第旋轉(zhuǎn)器。 
兩個偏振激光光束可以在偏振片處偏振合成為一束（參閱偏振合束）。相干偏振合束是一種功率縮放技術(shù)。 
干涉儀中通常包含偏振分束器。
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