起偏镜

一种滤光器

起偏镜是一种滤光器，使特定偏振光通过并阻挡其他极化光波，它可以将未定义或混合极化的光束转换为明确定义的偏振光束，即偏振光。常见的起偏镜类型是线起偏镜和圆起偏镜。起偏镜用于许多光学技术和仪器，偏振滤镜可用于摄影和液晶显示技术。除了无线电波，微波和X射线之外，起偏镜也可以用于除光之外的其他类型的电磁波。

仪器简介

起偏镜是一种滤光器，使特定偏振光的光通过并阻挡其他极化光波，它可以将未定义或混合极化的光束转换为明确定义的偏振光束，即偏振光。常见的起偏镜类型是线起偏镜和圆起偏镜。起偏镜用于许多光学技术和仪器，偏振滤镜可用于摄影和液晶显示技术。除了无线电波，微波和X射线之外，起偏镜也可以用于除光之外的其他类型的电磁波。

线性起偏镜

线性起偏镜可以分为两大类：吸收起偏镜，其中不需要的偏振状态被器件吸收，以及分束起偏镜，其中非偏振光束被分成具有相反极化状态的两个光束。维持具有不同入射角的相同的偏振轴的起偏镜通常称为笛卡尔起偏镜，因为偏振矢量可以用独立于偏振器表面的取向的简单笛卡尔坐标（例如，水平与垂直）来描述。当两个偏振态相对于表面的方向（通常用菲涅尔反射发现）时，它们通常称为s和p。笛卡尔和s-p极化之间的这种区别在许多情况下可以忽略不计，但是对于实现高对比度和入射光的广角角度扩展而言，这是很重要的。

吸收起偏镜

某些晶体，由于晶体光学所描述的影响，显示二色性，优先吸收在特定方向上极化的光。因此，它们可以用作线起偏镜。最着名的这种类型的水晶是电气石。然而，该晶体很少用作起偏镜，因为二色性效应是强烈的波长依赖性的，并且晶体看起来是有色的。草药也是二色性的，颜色不强，但难以在大晶体中生长。

偏振片偏振滤镜在原子尺度上与线栅偏振器类似地起作用。它最初是由微观的herapathite晶体制成。目前的H型片由聚乙烯醇（PVA）塑料制成，具有碘掺杂性。在制造过程中拉伸片材使得PVA链在一个特定的方向上对齐。来自碘掺杂剂的价电子能够沿着聚合物链线性移动，但不横向于它们。因此平行于链的入射光被片吸收;传输垂直于链的偏振光。宝丽来的耐用性和实用性使其成为使用中最常见的偏光镜类型，例如太阳镜，照相滤光片和液晶显示器。它也比其他类型的偏振器便宜得多。

一种现代的吸收式起偏镜由细长的银纳米颗粒制成，它嵌入薄（≤0.5毫米）的玻璃板中。这些偏光片更耐用，可以比塑料偏光片更好地偏振光，实现高达100,000：1的极化率和正确偏振光的吸收低至1.5%。这种玻璃起偏镜对于短波长红外光效果最佳，广泛应用于光纤通信。

分束起偏镜

光束分离起偏镜将入射光束分成两束不同的线偏振光束。对于理想的偏振分束器，它们将是完全极化的，具有正交偏振。然而，对于许多常见的光束分离起偏镜，两个输出光束中只有一个是完全极化的。另一个包含极化状态的混合。

与吸收起偏镜不同，光束分离起偏镜不需要吸收和消散被拒绝的偏振状态的能量，因此它们更适合用于诸如激光的高强度光束。真偏振分束器在两个偏振分量要同时分析或同时使用时也是有用的。

菲涅耳反射极化

当光从两个透明材料之间的界面以一定角度反射（通过菲涅耳反射）时，反射率对于入射平面中偏振的光和垂直偏振的光不同。在平面中偏振的光被称为p偏振光，而垂直于它的偏振是s偏振光。被称为布鲁斯特角的特殊角度，没有p偏振光从表面反射，因此所有反射光必须s极化，电场垂直于入射平面。

可以通过以布鲁斯特角度的一叠玻璃板倾斜梁来制造简单的线性起偏镜。一些s偏振光从每个板的每个表面反射。对于一叠板，每个反射消耗s偏振光的入射光束，在每个阶段在透射光束中留下更大部分的p偏振光。对于空气和典型玻璃中的可见光，布鲁斯特角度约为57°，梁中存在的s偏振光的大约16%被反射为每个空气对玻璃或玻璃到空气的过渡。通过这种方法，需要许多板来实现发射光束的均匀偏振。对于10个板（20个反射）的堆叠，传输约3%（=（1-0.16）20）的s偏振光。反射光束在完全极化的同时被展开，可能不是很有用。

通过以与入射光束更陡的角度倾斜一叠板，可以获得更有用的偏振光束。反直觉地，使用大于布鲁斯特角的入射角度，会以降低总体传播为代价产生较高的透射光束偏振度。对于陡度大于80°的发射角，透射光束的极化可以接近100%，只有四个板，尽管在这种情况下透射强度非常低。添加更多的平板并减小角度可以实现传输和极化之间的更好的折中。

线栅起偏镜将非偏振光束转换成具有单线性偏振的光束。彩色箭头描绘了电场矢量。对角极化波也有助于透射极化。它们的垂直分量被传输（示出），而水平分量被吸收和反射（未示出）。

由于它们的极化矢量取决于入射角，所以基于菲涅耳反射的偏振器本身倾向于产生s-p偏振而不是笛卡尔偏振，这限制了它们在某些应用中的应用。

双折射起偏镜

其他线性起偏镜利用晶体的双折射性质，如石英和方解石。在这些晶体中，入射在其表面上的非偏振光束被折射分成两束。 Snell定律适用于这两种射线，普通或者o射线，以及非凡或e-ray，每根射线遇到不同的折射率（这称为双折射）。通常，两个射线将处于不同的偏振态，尽管除了相对于晶轴的某些传播方向之外，它们不在线偏振状态。

尼古拉棱镜是早期类型的双折射起偏镜，其由方解石晶体组成，其已经被加拿大苦瓜分裂并重新加入。切割晶体使得o射线和e射线处于正交的线偏振状态。 o光线的全内反射发生在苦瓜界面，因为它在方解石中的折射率比香脂中的折射率高，而且光线偏转到晶体侧。在方解石中看到较小折射率的e-ray透射通过界面而没有偏转。尼古拉棱镜产生非常高的偏振光纯度，并被广泛用于显微镜，尽管在现代使用中，它们已经被替代品替代，例如格兰 - 汤普森棱镜，格兰福柯棱镜和格兰 - 泰勒棱镜。这些棱镜不是真正的偏振分束器，因为只有透射光束是完全极化的。

渥拉斯顿棱镜是另一个双折射起偏镜，由具有正交晶轴的两个三角方解石棱镜组成。在内部接口处，非偏振光束分裂成两个线偏振光，其将棱镜离开15°-45°的发散角。 Rochon和Sénarmont棱镜是相似的，但在两个棱镜中使用不同的光轴取向。 Sénarmont棱镜是空气间隔的，不像Wollaston和Rochon棱镜。这些棱镜真正将光束分成两个具有垂直偏振的完全偏振光束。渥拉斯顿棱镜棱镜是Wollaston棱镜的一种变体，广泛应用于差分干涉对比显微镜。

薄膜偏振片

薄膜线性起偏镜是应用特殊光学涂层的玻璃基板。布鲁斯特的角度反射或影片中的干扰效应都会使它们成为分束起偏镜。用于膜的基材可以是以特定角度插入到梁中的板，或者与第二楔形物接合以形成立方体的玻璃楔，其中薄膜沿对角线跨过中心（一种形式的这是非常普遍的MacNeille立方体）。薄膜起偏镜通常不如格兰型起偏镜那样好，但是它们便宜并且提供了大致相同的极化的两个光束。立方体偏振器通常表现优于平板起偏镜。前者容易与格兰型双折射起偏镜混淆。

线栅起偏镜

最简单的线性偏振器之一是线栅起偏镜（WGP），其由许多细平行的金属线组成，放置在平面中。 WGP主要反映非透射极化，因此可用作偏振分束器。与大多数介电偏振器相比，寄生吸收相对较高，尽管远低于吸收起偏镜。

具有与电线平行排列的电场分量的电磁波将导致电子沿着电线长度的移动。由于电子在该方向上自由移动，所以当反射光时，起偏镜以与金属表面相似的方式起作用，并且波沿入射光束向后反射（减去焦耳加热损失的少量能量电线）。

对于垂直于导线的电场的波，电子不能跨越每条导线的宽度移动很远。因此，反射的能量很少，入射波能够通过电网。在这种情况下，电网的行为就像电介质材料。

总的来说，这使得透射波被完全垂直于电线的电场线性偏振。波浪“穿过”电线之间的间隙的假设是不正确的。

为了实际的目的，导线之间的间隔必须小于入射辐射的波长。另外，每根导线的宽度应与导线之间的间距相比较小。因此，构建用于微波，远红外和中红外辐射的线栅起偏镜相对容易。此外，先进的光刻技术还可以构建非常紧凑的间距金属网格，从而使可见光的极化达到有用的程度。由于偏振度几乎不依赖于波长和入射角，因此它们用于宽带应用，如投影。

对于线栅起偏镜，使用严格的耦合波分析的分析解决方案已经表明，对于垂直于导线的电场分量，介质表现得像电介质，并且对于平行于导线的电场分量，介质的行为就像金属（反射）。

圆起偏镜

圆起偏镜也称为圆偏振滤光器，可用于产生圆偏振光，或者选择性地吸收或通过顺时针和逆时针圆偏振光。它们被用作摄影中的偏振滤光器，以减少非金属表面的倾斜反射，并且是用于观看一些立体电影（特别是RealD 3D品种）的3D眼镜的透镜，其中光的偏振用于区分哪个图像应该被左眼和右眼看到。

有几种方法来制造圆偏振光，最便宜和最常见的是在线性起偏镜之后放置四分之一波片，并引导非偏振光通过线性起偏镜。离开线起偏镜的线偏振光通过四分之一波片转换为圆偏振光。线性起偏镜的透射轴需要在四分之一波片的快轴和慢轴之间的一半（45°）。

在上述布置中，线性起偏镜的透射轴相对于右水平面成45°角，以橙色线表示。四分之一波片具有水平慢轴和垂直快轴，并且也用橙色线表示。在这种情况下，进入线性起偏镜的非偏振光显示为其线偏振的幅度和角度突然变化的单波。

当试图通过线性偏振器传递非偏振光时，只有具有正45°角的电场的光离开线性偏振器并进入四分之一波片。在图示中，所表示的非偏振光的三个波长将被转换成线偏振器的另一侧上的三个波长的线性偏振光。

正好在线偏振光进入四分之一波片之前的电场。红线和相关的场向量表示电场的大小和方向如何沿着行进方向而变化。对于该平面电磁波，每个矢量表示垂直于行进方向的整个平面的电场的大小和方向。

为了理解四分之一波片对线偏振光的影响，将光分为两个彼此成直角（正交）的分量是有用的。为此，蓝色和绿色线分别是红色线对垂直和水平面的投影，并表示电场在这两个平面方向上的变化。两个分量具有相同的幅度并且同相。

因为四分之一波片由双折射材料制成，所以在波片中，光依照其电场方向以不同的速度行进。这意味着沿着波片的慢轴的水平分量将以比沿着垂直快轴指向的分量慢的速度行进。最初两个部件是同相的，但是当两个部件穿过波片时，光的水平分量比垂直的部分更远。通过调整波片的厚度，可以控制在光离开波片之前水平分量相对于垂直分量延迟多少，并且它们以相同的速度再次开始行进。当光离开四分之一波片时，向右水平分量将正好是垂直分量后面的波长的四分之一，使得从接收器观察时，左侧的光线偏振。

离开波片后的圆偏振光，用于比较进入四分之一波片的线偏振光。在上图像中，由于这是一个平面波，从轴线到螺旋线的每个向量表示垂直于行进方向的整个平面的电场的大小和方向。所有电场矢量具有相同的量值，表明电场的强度不变。然而，电场的方向稳定地旋转。

蓝色和绿色线分别是垂直和水平面上螺旋线的投影，并表示电场在这两个平面方向上的变化。请注意，向右水平分量现在是垂直分量背后的四分之一波长。

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