偏振概論

圖1：線性偏振光的電場沿著傳播方向被限制在y-z平面（左）和x-z平面（右）

圖2：線性偏振光的電場（左）由兩個幅度相等的垂直正交分量組成，沒有相位差。所得的電場波沿y = x平面傳播。圓偏振光的電場（右）由兩個垂直的，振幅相等的線性分量組成，它們的相位差為π/ 2或90°。產生的電場波循環傳播

圖3：圓形電場（左）有兩個分量，它們的振幅相等，相位差為π/ 2或90°。但是，如果這兩個分量具有不同的幅度，或者存在除π/ 2以外的相位差，則它們將產生橢圓偏振光（右）

對於反射和透射而言最重要的兩個正交線性偏振狀態稱為p偏振和s偏振。P偏振光（來自德國平行光）具有平行於入射平面偏振的電場，而S偏振光（來自德國senkrecht）垂直於入射平面。

圖4：P和S是線性偏振，由它們相對於入射平面的相對方向定義

為了選擇光的特定偏振，使用了偏振片。偏振片大致可分為反射，二向色和雙折射偏振片。

反射型偏振片在反射其餘部分的同時透射所需的偏振。線柵偏振片是這種情況的常見示例，它由許多彼此平行排列的細線組成。沿著這些導線偏振的光被反射，而垂直於這些導線偏振的光被透射。其他反射型偏振片使用布魯斯特角。布魯斯特角是特定的入射角，在該入射角下僅反射s偏振光。反射光束為s偏振，透射光束變為部分為p偏振。

二向色偏振片吸收特定的偏振光，其餘的則透射。現代的納米粒子偏振片是二向色偏振片。

雙折射偏振片依賴於折射率對光偏振的依賴性。不同的偏振將以不同的角度折射，這可用於選擇某些光的偏振。

非偏振光可以看作是p偏振和s偏振光的快速變化的隨機組合。理想的線性偏振片將僅透射兩個線性偏振之一，從而將初始非偏振強度I0減小一半，

 (1) 

對於強度為I0的線偏振光，通過理想偏振片I透射的強度可以由馬盧斯定律描述，

 (2) 

其中θ是入射線性偏振和偏振軸之間的夾角。我們看到，對於平行軸，可以實現100％的透射率，而對於90°軸（也稱為交叉偏振片），可以實現0％的透射率。在實際應用中，透射率永遠不會精確地達到0％，因此，偏振片的消光比是其特徵，該消光比可用於確定通過兩個交叉偏振片的實際透射率。

偏振片選擇光的某些偏振，而放棄其他偏振，理想的波片會修改現有的偏振，而不會衰減，偏離或移動光束。它們通過相對於其正交分量延遲（或延遲）偏振的一個分量來做到這一點。為了幫助您確定最適合您的應用的波片，請閱讀了解波片。正確選擇的波片可以將任何偏振態轉換為新的偏振態，並且最常用於旋轉線性偏振，以將線性偏振光轉換為圓偏振光，反之亦然。

應用領域

在各種成像應用中，實施偏振控制可能很有用。偏振片放置在光源，透鏡或兩者之上，以消除光散射造成的眩光，增加對比度並消除反射物體的熱點。這可以帶出更強烈的色彩或對比度，或有助於更好地識別表面缺陷或其他隱藏的結構。

在圖5中，將線性偏振片放置在機器視覺系統中的鏡頭前面，以消除模糊的眩光，從而可以清楚地看到電子晶片。左圖（不帶偏振片）顯示了物體和相機傳感器之間許多玻璃表面的隨機偏振光散射。大部分晶片被非偏振光的菲涅耳反射所遮蓋。右圖（帶有偏光鏡）顯示了沒有眩光的晶片，沒有遮擋任何物體的細節，從而可以無障礙地查看，分析和測量晶片。 

圖5：將偏振片放在機器視覺相機鏡頭的前面，以減少來自鏡頭和電子晶片之間反射面的雜散光

在圖6中可以看到相同的現象。在左圖（沒有偏振片）中，來自太陽的非偏振光正在與Edmund Optics大樓的窗戶相互作用，並且大部分光線都從窗戶反射出來。在正確的圖像中，已應用了一個偏振濾光鏡，使得一種偏振類型豐富的反射光被相機傳感器阻擋，而使用另一種偏振類型的攝影師則可以更容易地看到建築物。 

圖6：在DSLR相機鏡頭的前面放置了一個偏光鏡，以減少來自植物葉子的部分反射表面的眩光

觀察偏振片如何減少反射眩光的另一典型方式是觀察水面。在圖7中，水的表面在左側圖像中看起來是反射性的，從而掩蓋了其下方的內容。但是，在右側，水體底部的巖石碎屑更加清晰可見。 

圖7：將偏光鏡放在DSLR相機鏡頭的前面，以減少來自水的部分反射面的眩光

熱點是更漫反射的場中場的高反射部分。在圖8中，將偏振片放在相機鏡頭的前面以及光源上方，以照亮場景以減少熱點。 

圖8：一個線性偏振片放置在光源上方，而另一個與第一個偏振片垂直的偏振片放置在相機鏡頭上方，以消除熱點

通過使用兩個垂直定向的線性偏振片使光交叉偏振，可以完全減少或消除熱點。

圖9：這種成像方案是消除或減少散射，眩光或熱點的一種方法。光源被偏振片偏振，而將要成像的反射光再次被偏振片偏振，這一次被檢偏器偏振

兩個偏振片的偏振軸之間的角度差與該組偏振片的總光衰減量直接相關。通過改變角度偏移，可以改變偏振片組的光密度，從而獲得與使用中性密度濾光片相似的效果。這確保了整個場均勻照明。

環形光導因其均勻，漫射的照明而成為流行的照明源。但是，環本身可能會產生眩光或反射。分別使環形光輸出和透鏡偏振可減少這些影響，並帶出表面細節，如圖9所示。

圖10：分別使環形光輸出和透鏡偏振，可以大大減少眩光效果，以顯示重要的表面細節

圖11顯示了Edmund Optics總部的照片，以及在相機鏡頭前使用或不使用偏光鏡，天空，草地和樹葉的顏色變化。由於空氣分子中的電子將光沿多個方向散射，因此沒有偏光鏡的天空外觀為淺藍色，如左圖所示（不帶偏光鏡）。另外，樹木的葉子和草葉的表面反射性很小。使用偏振片濾除從這些表面反射的一些光，使這些表面的感知顏色變暗。 

圖11：拍攝天空時，鏡頭前面的偏光鏡可以顯著改變天空的顏色

在諸如玻璃和塑料的無定形固體中，材料中溫度和壓力曲線的應力會賦予材料特性局部的變化和梯度，從而使材料具有雙折射性和非均質性。可以使用光彈性效應在透明物體中對此進行量化，因為可以使用偏振光方法測量應力及其相關的雙折射。

圖12：一副眼鏡看起來清晰無偏光。但是，使用偏振片可以使材料應力變化可見，並且它們表現為顏色變化

交叉偏振片之間無應力的透明物體應產生一個完全暗場，但是，當存在內部材料應力時，折射率的局部變化將旋轉偏振角，從而導致透射率變化。

偏振控制在化學，製藥，食品和飲料行業中也非常重要。許多重要的有機化合物，例如活性藥物成分或糖，具有多種方向。對具有多個方向的分子的研究稱為立體化學。

具有相同類型和數量的原子但分子排列不同的分子化合物稱為立體異構體。這些立體異構體是「光學活性的」，並將使偏振光沿不同方向旋轉。旋轉量由化合物的性質和濃度決定，可以通過旋光法檢測和定量這些化合物的濃度。這是鑑定樣品中可能存在哪種立體異構體的前提，這很重要，因為立體異構體可能具有截然不同的化學作用。例如，立體異構體檸檬烯是使橙和檸檬具有其特有氣味的化學物質。

圖13：(+)-檸檬烯或D-檸檬烯(左)與橙子的氣味有關，因為橙子中這種立體異構體的濃度高於其他異構體。(+)-檸檬烯旋轉入射光的方向。(-)-檸檬烯或L-檸檬烯(右)與檸檬有關，因為它高度集中在檸檬中，並且使入射光沿與(+)-檸檬烯相反的方向旋轉

許多不同類型的顯微鏡技術，例如微分幹涉對比（DIC）顯微鏡，都使用偏振鏡來實現各種效果。

在簡單的偏振顯微鏡系統中，線性偏振片放置在顯微鏡光源的前面，在樣品臺下方，以偏振進入系統的光。放置在樣品臺上方的另一個線性偏振片稱為「分析儀」，因為在分析樣品時以及在第一偏振片保持靜止的同時，旋轉該偏振片以獲得所需的效果。然後旋轉檢偏器，使得檢偏器和偏振片的偏振平面相隔90°。完成此操作後，顯微鏡的透射率將最小（交叉偏振鏡）；光的透射量將與偏振片和檢偏器的消光比成正比。

一旦檢偏器與偏振片垂直對齊，就將各向異性或雙折射的樣品放在樣品臺上。樣品將偏振光旋轉指定的量，該量與樣品的厚度（以及光程距離）和樣品的雙折射成正比，然後再到達分析儀。

分析儀僅透射經歷了樣品引起的相移的光，並繼續阻擋來自光源的所有未受影響的光，這些光最初由偏振片偏振。如果已知樣品的雙折射，則可以將其用於確定樣品的厚度。如果樣品厚度已知，則可用於推斷樣品的雙折射。用於此目的的便利圖表稱為圖14中的Michel-Levy幹涉色表。

圖14：Michel-Levy幹涉圖根據雙折射和材料厚度顯示了雙折射材料的顏色