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偏振光學(xué)元件簡述（2）
2022-09-07
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昨天我們介紹了偏振光學(xué)的基本概念，今天我們介紹兩類常見偏振光學(xué)元件，偏振片和偏振棱鏡，主要用于偏振光束的產(chǎn)生和檢驗。
常見偏振光學(xué)元件
偏振片
偏振片作為一種光濾波器，通常由光學(xué)功能多層膜組合而成。其中光的透射率與其偏振狀態(tài)直接相關(guān)：通常是某一方向的線偏振光可以通過，而偏振方向與其垂直的光則不能通過，會被吸收或者反射到其它的方向上。
1.反射/折射偏振片
當(dāng)一束自然光以\( \theta_B \)入射到玻璃表面，與折射角\( \theta_T \)滿足布儒斯特定律，即 \( \theta_B \)＋\( \theta_T \)＝90°，則反射光為全偏振光，圖1為反射偏振片示意圖。隨著玻璃層數(shù)的增加，折射光的偏振度也會越來越高。
該類偏振片只能應(yīng)用在一些特殊的儀器設(shè)備上，光源入射角受到嚴(yán)格限制，不適合平板顯示。膽甾型液晶可作為寬波段反射式偏振片，在螺旋狀膽甾型液晶中引入螺距梯度，可見光經(jīng)其反射后得到圓偏振光，再通過1/4波片后轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振光，可直接用于液晶顯示。
2. 二向色性偏振片
最早二向色性偏振片由電氣石制成。一塊1 mm 厚的電氣石幾乎可以將o光全部吸收，而e光的吸收隨著波長的不同而差別很大。單晶電氣石可以切割成偏振片，用在光學(xué)性能要求不高的場合。
圖2為二向色偏振片示意圖，除最早的偏振片電氣石外均為人造偏振片，如微晶型偏振片（J片）和分子型偏振片（H片或K片）。微晶型偏振片是在透明的基片上蒸鍍一層某種晶粒（如碘酸碘奎寧或硫酸奎寧堿），或者將某些晶體（如碘硫酸金雞鈉）均勻地混合在硝化纖維的透明粘滯液體中，然后將這種粘滯液放在玻璃板上進行工藝加工，使針狀晶粒都相互平行，當(dāng)揮發(fā)性溶劑自行揮發(fā)后，便結(jié)成一張玻璃紙似的透明膜片。這些晶粒對某一方向的光矢量有強烈的吸收，而對相對垂直方向的光矢量吸收很少，從而使入射的自然光變成線偏振光。
當(dāng)前國際上大量應(yīng)用的偏振片是蘭德發(fā)明的H型偏振片。這種偏振片是由高度取向的高聚物膜如聚乙烯醇膜，吸附上具有二向色性的染料如碘和一些特別的有機染料而制成的。這種偏振膜的兩邊一般都復(fù)合上一層強度高，光學(xué)上各向同性的，透光率高而又耐濕熱的高聚物（如三醋酸纖維素醋），即片基，賦于偏振片良好的機械性能。此外，還有一種K偏振片，它是將聚乙烯醇薄膜放在高溫爐中，通以氯化氫，除去聚乙烯醇分子中的一些水分子，再單向拉伸而成。
3. 散射型偏振片
利用光的強烈散射或全反射原理制造的無色散射型偏振片，對可見光波段光的透過率較高，特別適用于一些要求真實反映自然光的偏振儀器。該偏振片通常是在兩塊ZK3平玻璃片中抽真空并充入硝酸鈉，ZK3平玻璃片折射率\( n ＝1.5891 \)，硝酸鈉o光的折射率\( n_o＝1.5884 \)，e光折射率\( n_e＝1.3369 \)，兩者差別較大，e光幾乎全部被反射或散射，無法從晶體中射出，故得到線性偏振光，圖3為散射偏振片示意圖。聚合物中加入芯殼由不同材料組成的粒子，分散并經(jīng)熱擠壓成膜，再拉伸取向，使基體的折射指數(shù)和分散相粒子的o或e光的折射系數(shù)（僅其中之一）相配，而與另一折射系數(shù)失配，可獲得線性偏振光。
4. 金屬線柵偏振片
最簡單的偏振器件是平行導(dǎo)線柵，和導(dǎo)線方向平行的電場分量被反射，而垂直方向的電場分量則順利透過，圖4為金屬線柵偏振片示意圖。線柵間距要和可見光波長（400 - 700nm）接近，間距如此小的光柵制作較為困難，一種方式是真空蒸發(fā) Ag、Au、Pb、Cu、Al 等，原子束幾乎以平行方向（入射角
??＞80°）蒸鍍到以硫化鋅或硒化鋅為襯底的光柵上形成極細(xì)的金屬導(dǎo)線或在襯底上形成一條條方向一致的短線，可起到偏振片的作用；另一種方式是用光刻的方法在沉積有金屬薄膜的襯底上刻蝕出寬度和可見光波長相當(dāng)?shù)膶?dǎo)線也有偏振作用。
5.偏振片的光學(xué)特性
偏振片選用可從外觀和光學(xué)性能等幾個方面考慮，外觀主要是指偏振片的尺寸，表面狀況和顏色等。光學(xué)特性包括二向色性比\( R \)、有序度\( S \)、透過率\( T_{sp} \)和偏振度\( P \)等。偏振性能用偏振度和二向色性比來表，偏振度稱為偏振膜的偏振效率。其定義為：
\( P=\frac{T_1-T_2}{T_1+T_2}\times100\% \)
式中\( T_1 \)、\( T_2 \)分別表示兩偏振片組合時光軸平行和垂直時的透過率。當(dāng)\( T_2 ＝0\)時，\( P＝1 \)偏振度最好。
消光比即為平行放置的偏振片之間最大透過光強\( I_{max} \)和最小透過光強\( I_{min} \)之比，公式表示為
\( \eta=\frac{I_{min}}{I_{max}} \)
透過率為
\( T_{sp}=(T_1+T_2)/2 \)
二向色性比為
\( R=\frac{log(1/T_1)}{log(1/T_2)} \)
有序度為
\( S=\frac{R-1}{R+2} \)
偏振棱鏡
偏振棱鏡是利用晶體的雙折射現(xiàn)象而制成的偏振器件，無論是自然光還是偏振光通過偏振棱鏡后就變成振動方向由棱鏡偏振方向所決定的線偏振光。偏振棱鏡的種類很多，常見的偏振棱鏡有尼科耳棱鏡、格蘭棱鏡，沃拉斯頓棱鏡和洛匈棱鏡等。
1. 尼科耳棱鏡
常規(guī)尼科耳棱鏡由一塊長度約為寬度三倍的方解石晶體通過兩個鈍角隅切開后，再甩加拿大樹膠膠合而成。方解石晶體的o光折射率\( n_o=1.6548 \)，e光折射率\( n_e=1.4864 \)，加拿大樹膠折射率為\( n_B=1.55 \)。當(dāng)光線水平入射到尼科耳棱鏡的入射面時，由于雙折射效應(yīng)，透射光就分成o光和e光。o光在前塊晶體與膜層的界面發(fā)生全反射，不能透過棱鏡。而e光在該界面上是從光疏介質(zhì)射到光密介質(zhì)，不會發(fā)生全反射，可以透過膜層從棱鏡的另一端射出，用尼科耳棱鏡便可獲得線偏振光。
2. 格蘭棱鏡
格蘭棱鏡是尼科耳棱鏡的改進型，將一塊方解石加工成直角長方體，再切成兩個楔塊，然后粘合起來，這樣得到的出射光與入射光在一直線上。格蘭型又可分為光軸與切面平行的格蘭-湯姆孫棱鏡、光軸與切面法線共面的李普奇棱鏡、有空氣隙的湯姆孫型結(jié)構(gòu)的格蘭-傅科棱鏡，有空氣隙的李普奇型格蘭-泰勒棱鏡，如圖5所示。
3. 沃拉斯頓棱鏡
沃拉斯頓棱鏡所用材料同樣是方解石，主要由兩個直角棱鏡組成，兩棱鏡的光軸互相垂直，中間用甘油或蓖麻油粘合。圖6為沃拉斯頓晶體偏振棱鏡示意圖。自然光垂直入射到棱鏡端面時，o光和e光以不同速度沿同一方向傳播。當(dāng)它們先后進入第二棱鏡以后，由于第二棱鏡的光軸垂直于第一棱鏡的光軸，所以第一棱鏡中的o光對第二棱鏡來說就變?yōu)閑光，而e光就變?yōu)閛光。由于方解石是負(fù)晶體（\( n_o>n_e \)），所以在第二棱鏡中的e光遠(yuǎn)離兩方解石交界面的法線傳播，在第二棱鏡中的o光靠近兩方解石交界面的法線傳播。兩束光在第二棱鏡出射時再偏折一次，這樣，由沃拉斯頓棱鏡射出的是兩束按一定角度分開的線偏振光，它們的振動方向互相垂直。這種棱鏡允許入射光從左右一方射入棱鏡。
4. 洛匈棱鏡
洛匈棱鏡與沃拉斯頓棱鏡類似，只是它的第一塊棱鏡的光軸是左右指向，則垂直入射的光是沿光軸傳播，不發(fā)生雙折射，它可以使o光無偏折地出射，如圖7所示。因此即使是白光入射，也能得到無色散的線偏振光。需要注意的是該棱鏡只允許光從一側(cè)入射。
偏振棱鏡的選用可以從通光孔徑、孔徑角（入射光束的錐角范圍）、消光比，光的強度比以及損傷閾值等方面進行考慮。