光是一種電磁波，電場的振動方向與傳播方向垂直。普通光線的電場振動方向是隨機(jī)的，太陽光，鹵素?zé)艄獾榷际侨绱恕?/p>

那么如果在光傳播方向的垂直截面上，電場隨時間的變化是明確的，則這樣的光線稱為偏振光。在光學(xué)設(shè)計中，人們往往更多關(guān)注光的波長和強(qiáng)度，而忽略了其偏振指標(biāo)，其實偏振是光的重要特性，利用光的偏振性可以實現(xiàn)多種應(yīng)用。

光是一種電磁波，電磁波是典型的橫波，電場（E）和磁場（B）的方向與光的傳播方向（Z）垂直，根據(jù)電場的方向不同，我們將偏振光分為三種類型。

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一、偏振光類型

圖1 光的電磁波屬性

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線偏振光

光的電場方向沿傳播方向限制在一個平面上（y-z平面），其大小隨相位變化，在垂直于傳播方向的截面上（x-y面），光矢量端點的軌跡是一條直線。

圖2 線偏振光示意圖

02

圓偏振光

光的電場由兩個相互垂直，振幅相等但相位差為90°的線性分量組成。圓偏振光在傳播過程中，其矢量的大小不變，方向規(guī)則變化，在垂直于傳播方向的截面上（x-y面），光矢量端點的軌跡是一個圓，根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向，分為左手或右手圓偏振光。

圖3 圓偏振示意圖

03

橢圓偏振光

光的電場由兩個不同振幅和/或不是90°相位差的線性分量組成。橢圓偏振光的光矢量的大小和方向在傳播過程中均按規(guī)則變化，在垂直于傳播方向的截面上（x-y面），光矢量端點軌跡是橢圓。這是偏振光的最一般描述，并且圓形和線性偏振光可以被視為橢圓偏振光的兩種極端情況。

圖4 橢圓偏振示意圖

了解了三種不同的偏振光類型，我們可以思考如何人為調(diào)整光的偏振態(tài)，能夠改變光的偏振狀態(tài)的器件都被稱為偏振器，目前常用的偏振器大致可以分為吸收/反射型偏振器（如線柵偏振器，二向色偏振器）和分光型偏振器（如雙折射偏振器。）

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二、偏振器分類

01丨線柵偏振器

線柵偏振器是常見的反射型偏振器，它由相互平行的規(guī)則細(xì)金屬線陣列組成，然后將其放置在與非偏振入射光束呈90度角的平面內(nèi)。沿著這些線陣格柵振動的光被反射，而垂直于這些線陣格柵振動的光被傳輸。

圖5 線柵偏振片原理圖

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其他反射型偏振器利用特定角度（布儒斯特角）入射時，反射光的偏振態(tài)完全是與入射面垂直的S偏振，折射光的偏振態(tài)幾乎都是與入射面平行的P偏振。

圖6 布儒斯特角原理圖

02丨二向色偏振器

二向色偏振器是吸收型偏振器，它傳輸所需的偏振并吸收其余部分，其原理是單向拉伸摻雜特殊復(fù)合材料的基板，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會被強(qiáng)烈吸收，而垂直于該方向的光則被透過。這類偏振器使用廣泛，從低成本層壓塑料偏振器到高成本玻璃納米粒子偏振器，二向色偏振器可以做很大的尺寸，因此非常適合成像和顯示應(yīng)用。

圖7 二向色偏振器示意圖

03丨雙折射偏振器

雙折射偏振器屬于分光型偏振器，它的工作原理是利用雙折射晶體的特性，對不同偏振態(tài)光束的折射率不同。由于對s偏振光和p偏振光的折射率不同，入射的非偏振或橢圓偏振光在進(jìn)入晶體時將分裂成兩個單獨的光束。大多數(shù)雙折射偏振器由兩塊雙折射晶體棱鏡以一定的連接角度和晶軸角度組合而成。這類偏振器幾乎不吸收或反射入射光束，因此較適合激光應(yīng)用，它有優(yōu)異的消光比和寬波長范圍，但是價格比較高。

圖8 雙折射偏振器原理圖

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以上幾種偏振器件可以將非偏振光或者橢圓偏振光人為調(diào)整為需要的線偏振光，如果想將線偏振光調(diào)整為圓/橢圓偏振光，可以搭配使用1/4波片來實現(xiàn)；如果想改變線偏振光的振動方向或者改變圓/橢圓偏振光的旋向，可以搭配使用1/2波片來實現(xiàn)，延遲波片產(chǎn)品的原理和具體選型可參考聯(lián)合光科往期技術(shù)文章波片的選型和常規(guī)指標(biāo)介紹。

實現(xiàn)了對光線偏振態(tài)的控制，我們可以將這種控制用于各種成像系統(tǒng)中，以消除光散射產(chǎn)生的眩光，消除反射物體的反光點，增加對比度。經(jīng)過優(yōu)化的成像有助于更好的識別表面缺陷或者其他隱藏的問題。也可以利用物質(zhì)的非均勻性產(chǎn)生的不同折射率對偏振態(tài)的影響，用偏光檢測儀檢測樣品的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)或者雙折射率與厚度關(guān)系。

01

機(jī)器視覺系統(tǒng)使用場景下，被攝物體和相機(jī)傳感器之間的許多隨機(jī)雜散光將被攝物的許多細(xì)節(jié)遮蔽了，將線偏振片安裝在機(jī)器視覺系統(tǒng)的鏡頭前和光源前，可以消除模糊的眩光，提高圖像質(zhì)量進(jìn)而提高機(jī)器視覺軟件分析測量的準(zhǔn)確度。

02

專業(yè)攝影中，水面以下物體的反射光線會被空氣/水交界面被反射光線所掩蓋，很難拍攝清楚水面以下的物體，在攝影攝像鏡頭上增加濾光片可以大大減少水面的反射眩光更清晰的觀察水下物體的細(xì)節(jié)。

03

除了對散射眩光，高反射光的抑制消除提高圖像質(zhì)量以外，偏振檢測技術(shù)還可以檢測材料內(nèi)部應(yīng)力。在玻璃和塑料等非晶透明固體中，材料中溫度和壓力分布產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力會導(dǎo)致材料特性的局部變化，從而使材料具有雙折射和非均勻性。90°交叉的偏振片之間無內(nèi)部應(yīng)力的被測樣本應(yīng)產(chǎn)生一個完全暗場，當(dāng)樣本存在內(nèi)部應(yīng)力時，折射率的局部變化將改變偏振角，從而導(dǎo)致透射率變化。

對于偏光器件的工程應(yīng)用還有很多，本文不一一舉例。在科研領(lǐng)域中，線偏振器件常與1/4延遲波片、漩渦波片搭配使用，產(chǎn)生圓偏振光束和特定拓?fù)浜螖?shù)的渦旋光束用于各種科學(xué)實驗。

編輯：黃飛

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