光智元件大讲堂：偏振光学元件之Polarizer

新用户0118F7lQ 2021-12-05

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光的偏振

偏振（polarization）：振动方向对于传播方向的不对称性，即横波能够朝著不同方向振荡的性质，只有横波才有偏振现象。电磁波的电场与磁场彼此相互垂直，电磁波的偏振方向指的是电场的偏振方向。

根据偏振性来分类，光可分为偏振光、完全非偏振光和部分偏振光。而光矢量的方向和大小有规则变化的光为偏振光，包括线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。

线（平面）偏振光：在光的传播方向上，光矢量只沿一个固定的方向振动。光矢量的方向和光的传播方向所构成的平面称为振动面。线偏振光的振动面固定不动，不会发生旋转。

椭圆偏振光：光的电场方向或光矢量末端在垂直于传播方向的平面上描绘出的轨迹。当两个相互垂直的振动同时作用于一点时，若它们的频率相同并且有固定的位相差，则该点的合成振动的轨迹一般呈椭圆形。

圆偏振光：旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光的特殊情形。当传播方向相同，振动方向相互垂直且相位差恒定为φ=（2m±1/2）π的两平面偏振光叠加后可合成电矢量有规则变化的圆偏振光。

偏振光学元件

偏振光学元件主要包括：偏振片、波片、旋光片、偏振分束棱镜、双折射晶体、退偏器等，本文主要讨论偏振片的种类、关键参数和应用。

偏振片（Polarizer）：使自然光变成偏振光的光学元件（或称偏光板、偏光膜）。偏振片的应用包括：LCD显示、3D电影眼镜、光隔离器、光衰减器、偏光应力仪等。

利用马吕斯定律（Malus'Law）快速分辨偏振片：对着LCD显示器屏幕旋转偏振片，观察透过光的强度是否有变化。

一图即懂

s光/p光的定义

s光、p光是根据光矢量振动方向来划分的，将光波矢分解为两个相互垂直的振动方向，处于入射面（光波矢与界面法线构成的平面）内和垂直于入射面两个方向，前者称平行分量（Parallel），用'p’表示，后者称垂直分量（Senkrecht，德文），用's’表示。

另外，TE波、TM波、TEM波的定义如下：

TEM波:在传播方向上没有电场和磁场分量,称为横电磁波。若激光在谐振腔中的传播方向为z方向,那么激光的电场和磁场将没有z方向的分量!实际的激光模式是准TEM模,即允许Ez、Hz分量的存在,但它们必须远小于横向分量，因为较大的Ez意味着波矢方向偏离光轴较大，容易溢出腔外，所以损耗大，难于形成振荡。

TE: transverse electric wave, s-pol:在传播方向上有磁场分量但无电场分量,称为横电波。在平面光波导(封闭腔结构)中,电磁场分量有Ey, Hx, Hz,传播方向为z方向。

TM: transverse magnetic wave, p-pol:在传播方向上有电场分量而无磁场分量,称为横磁波。在平面光波导(封闭腔结构)中,电磁场分量有Hy, Ex, Ez,传播方向为z方向。

TE、TM两者的极化方向都垂直于入射光. 不同的是, 前者的极化方向垂直于(入射光和反射光构成的)光平面, 后者的极化方向平行于这个光平面。

注意：s光/p光，TE波/TM波，是根据入射面来定义的，离开某个特定的入射面，定义会发生变化！

偏振光的产生

二项色性薄膜（Dichroic film）偏振片：各向异性晶体对不同振动方向的偏振光具有不同的吸收系数。

偏振分光镜（polarization beam splitter，PBS）：布儒斯特角入射时，反射光为s光，透射光时偏振度很高的部分偏振光。在直角棱镜之间交替镀高低折射率介质膜，胶合成一块立方棱镜。

双折射晶体：入射光被分解成光矢量相互正交的线偏振光，把其中一束光拦住，便得到线偏振光。下图为Glan-Taylor棱镜。

金属线栅偏振器（Wire Grid Polarizer）：反射s光，透过p光；耐高温，红外波段应用。

偏振片的种类

H偏振片：1938年，由兰德发明，目前广泛应用。把聚乙烯醇薄片加热，沿一个方向拉伸，使聚合物分子在拉伸方向排列成长链，然后把片子浸入碘溶液中，碘附着在长链上形成一条碘链。碘分子中导电电子就能沿着长链流动。当一束自然光射到偏振片上时，由于碘分子提供的高传导性，平行排列的长链分子吸收平行长链方向的电场分量，而与它垂直的电场分量则几乎不受影响，结果透射光变成线偏振光。偏振片上能透过电矢量振动的方向称为它的振透方向。

J偏振片：通过电磁作用或机械作用把具有二向色性的碘化硫酸奎宁小晶体整齐排列在透明的塑料薄膜上制成。

K偏振片：K偏振片的制造方法是将聚乙烯醇薄膜放在高温炉中通以氯化氢作催化剂，除掉聚乙烯醇分子中的若干水分子，形成聚合乙烯的细长分子，再单向拉伸而成。K偏振片的光化学性能稳定、能耐潮耐热、高温时不易分解，但是价格较贵。

银纳米颗粒偏振片：在玻璃表面沉积均一取向的银纳米颗粒，由于表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）效应，银纳米颗粒的吸收特性与波长和偏振相关，可通过调控银纳米线的宽度、长度等参数来控制。厂商包括美国康宁Corning公司“Polarcor”偏振玻璃和德国科迪CODIXX“colorPol”。