偏振概論
對于許多光學(xué)應(yīng)用而言,了解和操縱光的偏振至關(guān)重要。 光學(xué)設(shè)計(jì)經(jīng)常關(guān)注光的波長和強(qiáng)度,而忽略其偏振。 然而,偏振是光的重要屬性,甚至影響那些未明確測量光的光學(xué)系統(tǒng)。 光的偏振會影響激光束的聚焦,影響濾光片的截止波長,并且對于防止有害的反向反射可能非常重要。 對于許多計(jì)量學(xué)應(yīng)用來說,它是*的,例如玻璃或塑料中的應(yīng)力分析,藥物成分分析和生物顯微鏡。 材料還可以不同程度地吸收不同的偏振光,這是LCD屏幕,3D電影和減少眩光的太陽鏡的基本屬性。
了解偏振
光是電磁波,并且該波的電場垂直于傳播方向振蕩。 如果該電場的方向隨時(shí)間隨機(jī)波動,則稱該光為非偏振光。 陽光,鹵素?zé)?,LED聚光燈和白熾燈泡等許多常見光源都會產(chǎn)生非偏振光。 如果光電場的方向定義明確,則稱為偏振光。 偏振光常見的來源是激光。
根據(jù)電場的定向方式,我們將偏振光分為三種類型的偏振:
Ø線性偏振:光的電場沿著傳播方向被限制在一個(gè)平面內(nèi)(圖1)。
Ø圓偏振:光的電場由兩個(gè)相互垂直的線性成分組成,它們的振幅相等,但相位差為π/ 2。 產(chǎn)生的電場圍繞傳播方向沿圓周旋轉(zhuǎn),并且根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向,稱為左旋或右旋圓偏振光(圖2)。
Ø橢圓偏振:光的電場描述一個(gè)橢圓。 這是由具有不同幅度和/或不是π/ 2的相位差的兩個(gè)線性分量的組合引起的。 這是對偏振光的一般描述,可以將圓形和線性偏振光視為橢圓偏振光的特殊情況(圖3)。
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(gè)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?zhèn)鞑ァ?圓偏振光的電場(右)由兩個(gè)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(chǎn)生的電場波循環(huán)傳播。
圖3:圓形電場(左)有兩個(gè)分量,它們的振幅相等,相位差為π/ 2或90°。 但是,如果這兩個(gè)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(chǎn)生橢圓偏振光(右)。
對于反射和透射而言重要的兩個(gè)正交線性偏振狀態(tài)稱為p偏振和s偏振。 P偏振光(來自德國平行光)具有平行于入射平面偏振的電場,而S偏振光(來自德國senkrecht)垂直于入射平面。
圖4:P和S是線性偏振,由它們相對于入射平面的相對方向定義。
操縱偏振
偏振片
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。 有關(guān)哪種偏振片適合您的應(yīng)用的更多詳細(xì)信息,請參見我們的《偏振片選擇指南》。
反射型偏振片在反射其余部分的同時(shí)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(xì)線組成。 沿著這些導(dǎo)線偏振的光被反射,而垂直于這些導(dǎo)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?yōu)椴糠譃閜偏振。
二向色偏振片吸收特定的偏振光,其余的則透射。 現(xiàn)代的納米粒子偏振片是二向色偏振片。
雙折射偏振片依賴于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,這可用于選擇某些光的偏振。
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(jī)組合。 理想的線性偏振片將僅透射兩個(gè)線性偏振之一,從而將初始非偏振強(qiáng)度I0減小一半,
(1)
對于強(qiáng)度為I0的線偏振光,通過理想偏振片I透射的強(qiáng)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,對于平行軸,可以實(shí)現(xiàn)I00%的透射率,而對于90°軸(也稱為交叉偏振片),可以實(shí)現(xiàn)0%的透射率。 在實(shí)際應(yīng)用中,透射率永遠(yuǎn)不會準(zhǔn)確地達(dá)到0%,因此,偏振片的消光比是其特征,該消光比可用于確定通過兩個(gè)交叉偏振片的實(shí)際透射率。
波片
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(xiàn)有的偏振,而不會衰減,偏離或移動光束。 它們通過相對于其正交分量延遲(或延遲)偏振的一個(gè)分量來做到這一點(diǎn)。 為了幫助您確定適合您的應(yīng)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(tài)轉(zhuǎn)換為新的偏振態(tài),并且常用于旋轉(zhuǎn)線性偏振,以將線性偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光,反之亦然。
應(yīng)用領(lǐng)域
在各種成像應(yīng)用中,實(shí)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,增加對比度并消除反射物體的熱點(diǎn)。 這可以帶出更強(qiáng)烈的色彩或?qū)Ρ榷?,或有助于更好地識別表面缺陷或其他隱藏的結(jié)構(gòu)。
減少反射性熱點(diǎn)和眩光
在圖5中,將線性偏振片放置在機(jī)器視覺系統(tǒng)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芯片。 左圖(不帶偏振片)顯示了物體和相機(jī)傳感器之間許多玻璃表面的隨機(jī)偏振光散射。 大部分芯片被非偏振光的菲涅耳反射所遮蓋。 右圖(帶有偏光鏡)顯示了沒有眩光的芯片,沒有遮擋任何物體的細(xì)節(jié),從而可以無障礙地查看,分析和測量芯片。
圖5:將偏振片放在機(jī)器視覺相機(jī)鏡頭的前面,以減少來自鏡頭和電子芯片之間反射面的雜散光。
在圖6中可以看到相同的現(xiàn)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,并且大部分光線都從窗戶反射出來。 在正確的圖像中,已應(yīng)用了一個(gè)偏振濾光鏡,使得一種偏振類型豐富的反射光被相機(jī)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筑物。
圖6:在DSLR相機(jī)鏡頭的前面放置了一個(gè)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(cè)圖像中看起來是反射性的,從而掩蓋了其下方的內(nèi)容。 但是,在右側(cè),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(jī)鏡頭的前面,以減少來自水的部分反射面的眩光。
熱點(diǎn)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(jī)鏡頭的前面以及光源上方,以照亮場景以減少熱點(diǎn)。
圖8:一個(gè)線性偏振片放置在光源上方,而另一個(gè)與一個(gè)偏振片垂直的偏振片放置在相機(jī)鏡頭上方,以消除熱點(diǎn)。
通過使用兩個(gè)垂直定向的線性偏振片使光交叉偏振,可以*減少或消除熱點(diǎn)。
圖9:這種成像方案是消除或減少散射,眩光或熱點(diǎn)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(gè)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(guān)。 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(gè)場均勻照明。
改善對比度和色彩效果
環(huán)形光導(dǎo)因其均勻,漫射的照明而成為流行的照明源。 但是,環(huán)本身可能會產(chǎn)生眩光或反射。 分別使環(huán)形光輸出和透鏡偏振可減少這些影響,并帶出表面細(xì)節(jié),如圖9所示。
圖10:分別使環(huán)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(xì)節(jié)。
圖11顯示了Edmund Optics總部的照片,以及在相機(jī)鏡頭前使用或不使用偏光鏡,天空,草地和樹葉的顏色變化。 由于空氣分子中的電子將光沿多個(gè)方向散射,因此沒有偏光鏡的天空外觀為淺藍(lán)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(shí),鏡頭前面的偏光鏡可以顯著改變天空的顏色。
壓力評估
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(yīng)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(zhì)性。 可以使用光彈性效應(yīng)在透明物體中對此進(jìn)行量化,因?yàn)榭梢允褂闷窆夥椒y量應(yīng)力及其相關(guān)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(yīng)力變化可見,并且它們表現(xiàn)為顏色變化。
交叉偏振片之間無應(yīng)力的透明物體應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)*暗場,但是,當(dāng)存在內(nèi)部材料應(yīng)力時(shí),折射率的局部變化將旋轉(zhuǎn)偏振角,從而導(dǎo)致透射率變化。
化學(xué)鑒定
偏振控制在化學(xué),制藥,食品和飲料行業(yè)中也非常重要。 許多重要的有機(jī)化合物,例如活性藥物成分或糖,具有多種方向。 對具有多個(gè)方向的分子的研究稱為立體化學(xué)。
具有相同類型和數(shù)量的原子但分子排列不同的分子化合物稱為立體異構(gòu)體。 這些立體異構(gòu)體是“光學(xué)活性的”,并將使偏振光沿不同方向旋轉(zhuǎn)。 旋轉(zhuǎn)量由化合物的性質(zhì)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。 這是鑒定樣品中可能存在哪種立體異構(gòu)體的前提,這很重要,因?yàn)榱Ⅲw異構(gòu)體可能具有截然不同的化學(xué)作用。 例如,立體異構(gòu)體檸檬烯是使橙和檸檬具有其*氣味的化學(xué)物質(zhì)。
圖13:(+)-檸檬烯或D-檸檬烯(左)與橙子的氣味有關(guān),因?yàn)槌茸又羞@種立體異構(gòu)體的濃度高于其他異構(gòu)體。 (+)-檸檬烯旋轉(zhuǎn)入射光的方向。 (-)-檸檬烯或L-檸檬烯(右)與檸檬有關(guān),因?yàn)樗叨燃性跈幟手?,并且使入射光沿與(+)-檸檬烯相反的方向旋轉(zhuǎn)。
偏光顯微鏡
許多不同類型的顯微鏡技術(shù),例如微分干涉對比(DIC)顯微鏡,都使用偏振鏡來實(shí)現(xiàn)各種效果。
在簡單的偏振顯微鏡系統(tǒng)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(jìn)入系統(tǒng)的光。 放置在樣品臺上方的另一個(gè)線性偏振片稱為“分析儀”,因?yàn)樵诜治鰳悠窌r(shí)以及在一偏振片保持靜止的同時(shí),旋轉(zhuǎn)該偏振片以獲得所需的效果。 然后旋轉(zhuǎn)檢偏器,使得檢偏器和偏振片的偏振平面相隔90°。 完成此操作后,顯微鏡的透射率將小(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(zhuǎn)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,然后再到達(dá)分析儀。
分析儀僅透射經(jīng)歷了樣品引起的相移的光,并繼續(xù)阻擋來自光源的所有未受影響的光,這些光初由偏振片偏振。 如果已知樣品的雙折射,則可以將其用于確定樣品的厚度。 如果樣品厚度已知,則可用于推斷樣品的雙折射。 用于此目的的便利圖表稱為圖14中的Michel-Levy干涉色表。
圖14:Michel-Levy干涉圖根據(jù)雙折射和材料厚度顯示了雙折射材料的顏色。
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