偏振器

什么是偏振器？

偏振器是一种光学设备，可以将非偏振光转变为偏振光。非偏振光是指在传播方向垂直的多个方向上振动的光波。而偏振光则是指在传播方向垂直的单一平面内振动的光波。

偏振器的工作原理是只允许在特定方向或平面内振动的光波通过，同时阻止在其他方向上振动的光波。这使得光被偏振，意味着其只有一个振动平面。偏振器被广泛应用于各种光学技术和仪器中，包括摄影、液晶显示技术和偏振太阳镜。

偏振器的工作原理

偏振器的工作原理可以通过马吕斯定律来解释，该定律描述了通过偏振器的偏振光强度与光的偏振方向与偏振器的透射轴之间的角度关系。

根据马吕斯定律，通过偏振器的光强度（I）与光的偏振方向与偏振器透射轴之间的角度（θ）的余弦平方成正比。数学上可以表示为：

其中 I_o 是光通过偏振器之前的初始强度。

当光的偏振方向与偏振器的透射轴对齐（θ=0°）时，余弦值为1，光以最大强度（I=I_o）通过偏振器。这意味着与透射轴具有相同偏振方向的光波能够无衰减地通过偏振器。

另一方面，当光的偏振方向与偏振器的透射轴垂直（θ=90°）时，余弦值为0，光通过偏振器的强度被完全阻挡（I=0）。这意味着与透射轴正交的偏振方向的光波被偏振器有效地阻挡或衰减。

对于中间角度（0°<θ<90°），通过偏振器的光强度按余弦平方与角度成比例减小。这种关系使得偏振器能够选择性地过滤特定偏振方向的光波，同时允许具有所需偏振方向的光波通过。

偏振器的类型

主要有两种类型的偏振器：

• 线偏振器
• 圆偏振器

线偏振器

线偏振器允许在单一平面内一致振动的光波通过，同时阻止在垂直平面内振动的光波，或减少在不同角度振动的光波强度。如果光的振动完全沿一个方向发生，没有其他方向的分量，则称该光为线偏振光。

线偏振器的工作原理

偏振光的概念涉及两个主要轴：透射轴和吸收轴。透射轴，也称为偏振轴，负责允许光通过。即使使用单个偏振器，传输仍会损失至少50%，这取决于所用偏振器的等级和具体的偏振要求。

吸收轴，也称为消光轴，在偏振光的过程中起着重要作用。当两个线偏振器相互垂直对齐时，一个偏振器的吸收轴与另一个偏振器的透射轴平行，从而形成一种称为消光的条件。偏振器的吸收轴阻挡或吸收与其方向对齐的光波。因此，透射光会大大减少或完全被阻挡，导致近乎完全的光消失。偏振器的效率由两个平行于交叉轴的偏振器之间的传输比率决定。简单地提高传输率可能并不总是会导致更高的效率，因为这样做也可能提高消光传输。

根据马吕斯定律，光的偏振方向与第一个偏振器的透射轴平行（θ=0º），因此 cos θ=1。光通过它。但第二个偏振器的透射轴与来自第一个偏振器输出的光的偏振方向垂直对齐（θ=90º）。因此，cos θ=0，因此光被第二个偏振器阻挡。

产生线性偏振光的方法：

线性偏振光可以通过多种方法生成，其中三种机制特别著名。这些是：

• 双折射或各向异性
• 反射
• 二色性

双折射或各向异性偏振器

某些天然晶体，如方解石和石英，能够将单一的非偏振光束分成两个强度相等的偏振光束。通过分离这两束偏振光，可以创建高效的线偏振器。

反射偏振器

当一束非偏振光以一定角度照射到平坦、光滑的非金属表面时，反射光束可能部分或完全线性偏振。偏振的程度取决于入射角和反射表面的折射率。偏振角或布鲁斯特角是指偏振完全且达到100%的角度。

二色性吸收偏振器

大多数商业化的偏振器，包括API，都是展现二色性的二色性偏振器，具有在特定方向上吸收光的能力。二色性线偏振器可以看作具有指示吸收轴和透射轴（也称为偏振轴）。这些偏振器通常由拉伸聚乙烯醇（PVA）制成。

线偏振器的类型

• 吸收型偏振器

吸收型偏振器是一种光学滤光器，选择性地传输具有特定偏振方向的光波，同时吸收或衰减具有正交偏振方向的波。这种类型的偏振器通常由吸收不需要偏振的材料或涂层组成，例如二色性染料或薄金属或聚合物膜。被吸收的光要么转化为热量，要么通过反射重新引导，这取决于偏振器的具体设计。吸收型偏振器常用于多种光学应用中，包括摄影、显微镜和显示技术。

• 线栅偏振器

线栅偏振器是一种简单的偏振器，由一组平行的金属线阵列组成。当以90度角放置于非偏振入射光束时，如果光波垂直于这些金属线，则光束可以在不损失太多能量的情况下通过。但如果光波与这些线平行，它们将被吸收或反射。也就是说，偏振器允许在特定方向上振动的光波通过，而剩余部分则被反射或吸收。为了实际应用，线间距必须小于辐射的波长。线栅偏振器主要应用于电磁波谱的远红外和中红外范围，特别是微波和红外光。

• 分束偏振器

分束偏振器将入射光束分为两束偏振光，具有不同的偏振状态。许多常见的分束偏振器通常仅对其中一束偏振光完全偏振。与吸收型或反射型偏振器不同，分束偏振器不吸收或反射被拒绝的偏振状态的能量，这使它们非常适合于涉及激光光的应用。在需要同时研究或使用两个偏振分量的情况下，真正的偏振分束器可以非常有用。

圆偏振器 

圆偏振器是一种将线性偏振光转变为圆偏振光的偏振器。圆偏振光是指光的电场矢量的旋转方向。它没有像线性偏振那样固定的方向，而是随着光的传播而旋转。

它是线偏振器的一种变体，具有额外的四分之一波片，将线性偏振光转换为圆偏振光。圆偏振器通常用于各种应用中，如摄影和显示器，以控制眩光、增强对比度和管理反射。

圆偏振器的工作原理

进入线偏振器滤光器的输入光称为随机偏振光 （尽管所有光在技术上都是偏振的）。一旦光通过线偏振器滤光器，它将变为线性偏振光，偏振平面朝向特定方向，而不是随机或非偏振的。

线性偏振光随后通过四分之一波片。偏振轴表示与光相关的电场（E_x和E_y）之间的矢量。

四分之一波片由快轴和慢轴组成。四分之一波是指慢轴在穿过波片时延迟一个电场的程度。为了获得真正的圆偏振光（而非椭圆偏振光），偏振轴应设置在快轴和慢轴的45º角。该45º偏振轴对齐使电磁场与波片的快轴和慢轴平行。通过这些元素，偏振光从四分之一波片中出来，其中一个 E_x 或 E_y场被移动了四分之一波的距离。

在时间上，E_x和E_y电场，以及表示两个电场的矢量的偏振轴，共同影响从圆偏振滤光器后部出来的光，使其表现出旋转的偏振状态。因此，它被称为“圆偏振器”。此外，平行于波片的慢轴的电场（E_x或 E_y）决定了哪个场被移动，进而影响偏振轴的旋转方向，顺时针（右手）或逆时针（左手）。

偏振器的应用

偏振器最常见的应用之一是在摄影中。偏振滤光器用于减少水、玻璃和树叶等非金属表面的眩光和反射。它们还通过选择性阻挡某些偏振光来增强图像的色彩饱和度和对比度。偏振器通常用于风景摄影中，帮助创造深蓝色的天空并增强树叶的颜色。

它们被用于液晶显示器中，液晶层夹在两个偏振器之间。当电流施加到液晶层时，它会改变通过它的光的偏振，从而创建屏幕上所见的图像。偏振器在这个过程中起着关键作用，确保只有具有正确偏振的光通过屏幕。

偏振器在光学显微镜中也有应用，使科学家能够研究与偏振光相互作用的材料的性质。偏振光显微镜可以提供关于材料结构、组成和光学性质的有价值信息，包括晶体、矿物和生物组织。

它们还用于通信系统，特别是在卫星通信和光纤通信中。在卫星通信中，偏振器用于确保传输信号在特定方向上偏振，从而使接收端更容易接收和处理。在光纤通信中，偏振器用于保持光在光纤中传播时的偏振，这有助于减少信号损失和失真。

偏振器还用于医学，特别是在皮肤科，偏振光能够比非偏振光更深入地穿透皮肤，有助于诊断和治疗牛皮癣、湿疹和白癜风等皮肤病。偏振器还用于偏振光显微镜，以研究生物组织的结构。它们用于天文学，以减少来自天空的眩光和散射光。此外，它们还用于增强夜空中微弱物体的对比度，使其更容易观察和研究。