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    关于偏振片与波片之间的关系

    2022-06-14 金梦

    偏振光,英文名:Polarization(偏极化)

    偏振光在光学元器件中应用产品有:偏光片,线偏光,圆偏光,偏振镜,偏振分束镜,起偏器,检偏器,保偏器,偏振分束胶合棱镜,法拉递旋转片,旋光片,涡旋波片,单反相机镜头CPL滤镜,激光器旋光器。


    自然光,太阳光,普通光源,面光源,OLED,LED灯光叫非偏振光。

    太阳镜眼,AR/VR眼镜,CCD,COMS,LCD屏,光栅,具体偏振光的综合物。

    常常把综合光:U=P+S在光学薄膜设计中U=Tp+Ts或(Rp+Rs),T为透过,R为反射;矢量分为P分量(Paralled水平或平行偏振)和S分量(Senkrcht垂直偏振)。


       自然光   

    光波是横波,即光波矢量的振动方向垂直于光的传播方向。通常,光源发出的光波,其光波矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则取向,在空间内,光波矢量的分布可看作是机会均等的,它们的总和与光的传播方向是对称的,即光矢量具有轴对称性、均匀分布、各方向振动的振幅相同,这种光就称为自然光。(即光是散乱无序的,自由派)。


       线偏振光   

    光矢量端点穿越轨迹为直线,即光矢量只沿着一个确定的方向振动,其大小随相位变化、方向不变,称为线偏振光。最大特点是双向性偏振。


       椭圆偏振光   

    光矢量端点穿越轨迹为一椭圆,即光矢量不断旋转,其大小、方向随时间有规律的变化。像电力不稳一样,忽明忽暗,一会P光,一会S光受脉冲影响还不稳,形成近视的椭圆。


       圆偏振光   

    光矢量端点穿越轨迹为一圆,即光矢量不断旋转,其大小不变,但方向随时间有规律地变化。

    部分偏振光,像个正弦波有周期性翻滚,最大特点是:单向性偏振。

    偏振片用途最广的就是用于LCD的液晶显示屏中。所以,拿一片祼的偏振片对着显示器水平或垂直或转某个角度,会发现显示器上的图案由黑变亮或有亮变黑,把该偏振片正反面去测试都相同,这就是线偏振片(都叫线偏光),反之只有一个面差别大,反面差别不大就是圆偏振片(都叫圆偏光)。市面上的圆偏振片原理就是,加了一片1/4入的波片。


    什么叫波片?

    波片,又称为相位延迟片,因为偏振光具有折射率不同,可能用薄膜定向拉伸或双折射材料加工而成。使通过波片的两个互相正交的偏振分量产生相位偏移,可用来调整光束的偏振状态。在光学元器件中常见的波片由石英晶体制作而成,主要为四分之一波片和二分之一波片(半波片)。

    石英晶体(也叫人工水晶或人造晶体)具有双折射率效应,依据X,Y,Z三轴方向上,定向切割的角度不同,产生的光程差不同。

    四分之一波片(λ/4波片):能使o光和e光光程差为λ/4的晶片。

    旋转波片使入射光偏振方向与波片两轴夹角为45°,椭圆/圆偏振光经过四分之一波片后,变成了线偏振光。

    同理,如果入射光偏振方向与波片两轴夹角为45°,线偏振光经过四分之一波片后,变成了圆偏振光。

    波片(或延迟板)是具有特定双折射的透明片,通常用来控制光束的偏振态。波片具有一个快轴和一个慢轴,都是垂直于表面和光束传播方向的,并且相互垂直。在快轴方向偏振的光相速度稍大。需要的光延迟(两偏振方向上的相位延迟差)只在有限波长区域和有限入射角范围内能够得到。 


    种类和应用 :

    最常见的波片是四分之一波片(λ/4 片)和半波片(λ/2片),其中两线偏振方向的相位延迟差分别为 π/2和π,对应的相位传播距离分别为λ?/?4和λ?/?2。 


    下面是一些重要的结论: 

    1. 如果光束为线偏振的,并且偏振方向是沿着波片的某一个轴,那么偏振方向不改变。 


    2. 如果入射的偏振态与任一轴不重合,波片为半波片,那么偏振光仍然是线偏振的,但是偏振方向发生旋转。如果线偏振光与轴夹角为 45°,那么偏振方向旋转90°。 


    3. 如果入射线偏振光与轴之间夹角为 45°,通过四分之一波片可以得到圆偏振光。(其它的线偏振光会变成椭圆偏振光。)反过来,圆偏振光通过四分之一波片可以得到线偏振光。 


    在激光器谐振腔中,在增益介质两边放置两个四分之一波片可以实现单频工作(参阅扭曲模技术)。在激光晶体和谐振腔反射镜之间放置一个半波片可以减小去极化损耗。半波片和偏振片结合使用可以实现可调透射率的输出耦合器。 

    波片通常由石英晶体(SiO2)制作,因为它在很大的波长范围内具有很高的透明度,并且具有很高的光学质量?;褂幸恍┢渌牟牧希ㄓτ糜谄渌ǔし段В┛梢?,例如方解石(CaCO3),氟化镁(MgF2),蓝宝石(Al2O3),云母(一种二氧化硅材料)和一些双折射聚合物。 


    零级和多级波片 

    有很多种类的波片: 

    1. 零级波片非常薄,两偏振方向的光相位延迟对于半波片只有 π。这是理想的情形,由于零级波片很薄所以很不方便,尤其是对于强折射材料来说,例如方解石,制备过程非常困难和需要制作非常精巧。后一个问题可以通过将零级波片粘在厚的玻璃片上解决,玻璃衬底不具有双折射但是可以稳定波片。而二者界面使损伤阈值变低。 


    2. 多级波片的相对相位改变变大,是所需要值再加上2π的整数倍。尽管在设计的波长处性能相同,该波片的光学带宽受实际的相对相位改变限制。并且,相位延迟与对温度更加敏感。低级波片是指具有相对小级数的多级波片,可以使上面提到的不利效应变小。 


    3. 有效零级波片(或净零级波片)由两个厚度稍微不同的多级波片组成,将它们黏在一起或者光学接触,或者在更高功率时在两多级波片之间留一点空隙。一个波片的慢轴与另一个波片的快轴平行,这样两波片的双折射就几乎抵消了。需要调整二者的厚度差得到需要的净相位改变。这一装置可工作在很宽的波长范围内。 


    二分之一波片(λ/2波片)
    圆偏振光线偏振光

                                                                                          二分之一波片(λ/2波片)


    晶体厚度恰能使o光和e光光程差为λ/2的晶片。

    线偏振光经过λ/2波片后还是线偏振光,但是振动方向与原来的方向旋转了2θ角。

    圆偏振光经过λ/2波片后还是圆偏振光,但是转动方向与原来相反。


    偏振光方程式

    线偏振光原理圆偏振光原理


    偏振分光棱镜能把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏振光。其中P偏光完全通过,而S偏光以45度角被反射,出射方向与P光成90度角,P偏光与S偏光都是线偏振光,且偏振方向互相垂直。此偏振分光棱镜使由一堆高精度执教棱镜胶合而成,其中一个棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜,透过与发射参数可以到95%以上。


     偏振分光棱镜与λ/4波片组合

                                                                                         偏振分光棱镜与λ/4波片组合


    偏振分光经与λ/4波片组合分光装置,若入射光偏振方向平行于入射面,则可全部透过分束镜(反射分量为0),经过λ/4波片入射到被测面,返回时在此经过λ/4波片,两次经过λ/4波片可使光的偏振方向转过pi/2,即光束垂直于入射面,经过分束器后被全部反射回探测器(透射分量为0),并无能量损失,这种结构广泛被应用与各种干涉系统。


    干涉系统。



    要想搞清楚偏振片与波片之间的实质转化,还要弄明白下面这个.OLPF FILTER

    光学低通滤波器大都是由两块或多块石英晶体薄板构成的,放在CCD传感器的前面。目标图象信息的光束经过OLPF后产生双折射(分为寻常光o光束和异常光e光束)。根据CCD像素尺寸的大小和总感光面积计算出抽样截止频率,同时也可计算出o光和e光分开的距离。改变入射光束将会形成差频的目标频率,达到减弱或消除低频干扰条纹的目的,特别是彩色CCD出现的伪彩色干扰条纹的目的。利用双折射晶体制作光学低通滤波器,通过前置滤波,能够有效地限制被采集图像在光敏面上的频谱宽度从而减小频谱混叠。 


    光学原理图


    光轴就是O光,晶体的厚度就是双折射方向为e光,这个e光与晶体生长成型后,用X光定向线切方向有关,在蓝宝石中A方向为生长方向,C方向为斜切方向。在石英晶体里,Z轴为切割方向(即为分X轴,Y轴,Z轴)


    光原理OLPF结构图
    OLPF原理图
    光学原理
    石英晶体


    上图中简单的讲:石英晶体的定向切割的晶向角0度转0度的水晶片,或0转90度的水晶片,只是改变成像的正向写反向,0度转45度即1/4波片, 45度转45度即1/2波片。而蓝玻璃只是起到近红外过滤更好一点。 所以在激光器中应用的石英晶体(也叫水晶片),说的旋光片,就是二分之一波片。就是把Tp转化成Ts光。


    偏振光Tp经过一次1/2波片或者两次1/4波片变成Ts


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