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        關于偏振片與波片之間的關系

        2022-06-14 金夢

        偏振光,英文名:Polarization(偏極化)

        偏振光在光學元器件中應用產品有:偏光片,線偏光,圓偏光,偏振鏡,偏振分束鏡,起偏器,檢偏器,保偏器,偏振分束膠合棱鏡,法拉遞旋轉片,旋光片,渦旋波片,單反相機鏡頭CPL濾鏡,激光器旋光器。


        自然光,太陽光,普通光源,面光源,OLED,LED燈光叫非偏振光。

        太陽鏡眼,AR/VR眼鏡,CCD,COMS,LCD屏,光柵,具體偏振光的綜合物。

        常常把綜合光:U=P+S在光學薄膜設計中U=Tp+Ts或(Rp+Rs),T為透過,R為反射;矢量分為P分量(Paralled水平或平行偏振)和S分量(Senkrcht垂直偏振)。


           自然光   

        光波是橫波,即光波矢量的振動方向垂直于光的傳播方向。通常,光源發出的光波,其光波矢量的振動在垂直于光的傳播方向上作無規則取向,在空間內,光波矢量的分布可看作是機會均等的,它們的總和與光的傳播方向是對稱的,即光矢量具有軸對稱性、均勻分布、各方向振動的振幅相同,這種光就稱為自然光。(即光是散亂無序的,自由派)。


           線偏振光   

        光矢量端點穿越軌跡為直線,即光矢量只沿著一個確定的方向振動,其大小隨相位變化、方向不變,稱為線偏振光。最大特點是雙向性偏振。


           橢圓偏振光   

        光矢量端點穿越軌跡為一橢圓,即光矢量不斷旋轉,其大小、方向隨時間有規律的變化。像電力不穩一樣,忽明忽暗,一會P光,一會S光受脈沖影響還不穩,形成近視的橢圓。


           圓偏振光   

        光矢量端點穿越軌跡為一圓,即光矢量不斷旋轉,其大小不變,但方向隨時間有規律地變化。

        部分偏振光,像個正弦波有周期性翻滾,最大特點是:單向性偏振。

        偏振片用途最廣的就是用于LCD的液晶顯示屏中。所以,拿一片祼的偏振片對著顯示器水平或垂直或轉某個角度,會發現顯示器上的圖案由黑變亮或有亮變黑,把該偏振片正反面去測試都相同,這就是線偏振片(都叫線偏光),反之只有一個面差別大,反面差別不大就是圓偏振片(都叫圓偏光)。市面上的圓偏振片原理就是,加了一片1/4入的波片。


        什么叫波片?

        波片,又稱為相位延遲片,因為偏振光具有折射率不同,可能用薄膜定向拉伸或雙折射材料加工而成。使通過波片的兩個互相正交的偏振分量產生相位偏移,可用來調整光束的偏振狀態。在光學元器件中常見的波片由石英晶體制作而成,主要為四分之一波片和二分之一波片(半波片)。

        石英晶體(也叫人工水晶或人造晶體)具有雙折射率效應,依據X,Y,Z三軸方向上,定向切割的角度不同,產生的光程差不同。

        四分之一波片(λ/4波片):能使o光和e光光程差為λ/4的晶片。

        旋轉波片使入射光偏振方向與波片兩軸夾角為45°,橢圓/圓偏振光經過四分之一波片后,變成了線偏振光。

        同理,如果入射光偏振方向與波片兩軸夾角為45°,線偏振光經過四分之一波片后,變成了圓偏振光。

        波片(或延遲板)是具有特定雙折射的透明片,通常用來控制光束的偏振態。波片具有一個快軸和一個慢軸,都是垂直于表面和光束傳播方向的,并且相互垂直。在快軸方向偏振的光相速度稍大。需要的光延遲(兩偏振方向上的相位延遲差)只在有限波長區域和有限入射角范圍內能夠得到。 


        種類和應用 :

        最常見的波片是四分之一波片(λ/4 片)和半波片(λ/2片),其中兩線偏振方向的相位延遲差分別為 π/2和π,對應的相位傳播距離分別為λ?/?4和λ?/?2。 


        下面是一些重要的結論: 

        1. 如果光束為線偏振的,并且偏振方向是沿著波片的某一個軸,那么偏振方向不改變。 


        2. 如果入射的偏振態與任一軸不重合,波片為半波片,那么偏振光仍然是線偏振的,但是偏振方向發生旋轉。如果線偏振光與軸夾角為 45°,那么偏振方向旋轉90°。 


        3. 如果入射線偏振光與軸之間夾角為 45°,通過四分之一波片可以得到圓偏振光。(其它的線偏振光會變成橢圓偏振光。)反過來,圓偏振光通過四分之一波片可以得到線偏振光。 


        在激光器諧振腔中,在增益介質兩邊放置兩個四分之一波片可以實現單頻工作(參閱扭曲模技術)。在激光晶體和諧振腔反射鏡之間放置一個半波片可以減小去極化損耗。半波片和偏振片結合使用可以實現可調透射率的輸出耦合器。 

        波片通常由石英晶體(SiO2)制作,因為它在很大的波長范圍內具有很高的透明度,并且具有很高的光學質量。還有一些其它的材料(應用于其它波長范圍)可以,例如方解石(CaCO3),氟化鎂(MgF2),藍寶石(Al2O3),云母(一種二氧化硅材料)和一些雙折射聚合物。 


        零級和多級波片 

        有很多種類的波片: 

        1. 零級波片非常薄,兩偏振方向的光相位延遲對于半波片只有 π。這是理想的情形,由于零級波片很薄所以很不方便,尤其是對于強折射材料來說,例如方解石,制備過程非常困難和需要制作非常精巧。后一個問題可以通過將零級波片粘在厚的玻璃片上解決,玻璃襯底不具有雙折射但是可以穩定波片。而二者界面使損傷閾值變低。 


        2. 多級波片的相對相位改變變大,是所需要值再加上2π的整數倍。盡管在設計的波長處性能相同,該波片的光學帶寬受實際的相對相位改變限制。并且,相位延遲與對溫度更加敏感。低級波片是指具有相對小級數的多級波片,可以使上面提到的不利效應變小。 


        3. 有效零級波片(或凈零級波片)由兩個厚度稍微不同的多級波片組成,將它們黏在一起或者光學接觸,或者在更高功率時在兩多級波片之間留一點空隙。一個波片的慢軸與另一個波片的快軸平行,這樣兩波片的雙折射就幾乎抵消了。需要調整二者的厚度差得到需要的凈相位改變。這一裝置可工作在很寬的波長范圍內。 


        二分之一波片(λ/2波片)
        圓偏振光線偏振光

                                                                                              二分之一波片(λ/2波片)


        晶體厚度恰能使o光和e光光程差為λ/2的晶片。

        線偏振光經過λ/2波片后還是線偏振光,但是振動方向與原來的方向旋轉了2θ角。

        圓偏振光經過λ/2波片后還是圓偏振光,但是轉動方向與原來相反。


        偏振光方程式

        線偏振光原理圓偏振光原理


        偏振分光棱鏡能把入射的非偏振光分成兩束垂直的線偏振光。其中P偏光完全通過,而S偏光以45度角被反射,出射方向與P光成90度角,P偏光與S偏光都是線偏振光,且偏振方向互相垂直。此偏振分光棱鏡使由一堆高精度執教棱鏡膠合而成,其中一個棱鏡的斜邊上鍍有偏振分光介質膜,透過與發射參數可以到95%以上。


         偏振分光棱鏡與λ/4波片組合

                                                                                             偏振分光棱鏡與λ/4波片組合


        偏振分光經與λ/4波片組合分光裝置,若入射光偏振方向平行于入射面,則可全部透過分束鏡(反射分量為0),經過λ/4波片入射到被測面,返回時在此經過λ/4波片,兩次經過λ/4波片可使光的偏振方向轉過pi/2,即光束垂直于入射面,經過分束器后被全部反射回探測器(透射分量為0),并無能量損失,這種結構廣泛被應用與各種干涉系統。


        干涉系統。



        要想搞清楚偏振片與波片之間的實質轉化,還要弄明白下面這個.OLPF FILTER

        光學低通濾波器大都是由兩塊或多塊石英晶體薄板構成的,放在CCD傳感器的前面。目標圖象信息的光束經過OLPF后產生雙折射(分為尋常光o光束和異常光e光束)。根據CCD像素尺寸的大小和總感光面積計算出抽樣截止頻率,同時也可計算出o光和e光分開的距離。改變入射光束將會形成差頻的目標頻率,達到減弱或消除低頻干擾條紋的目的,特別是彩色CCD出現的偽彩色干擾條紋的目的。利用雙折射晶體制作光學低通濾波器,通過前置濾波,能夠有效地限制被采集圖像在光敏面上的頻譜寬度從而減小頻譜混疊。 


        光學原理圖


        光軸就是O光,晶體的厚度就是雙折射方向為e光,這個e光與晶體生長成型后,用X光定向線切方向有關,在藍寶石中A方向為生長方向,C方向為斜切方向。在石英晶體里,Z軸為切割方向(即為分X軸,Y軸,Z軸)


        光原理OLPF結構圖
        OLPF原理圖
        光學原理
        石英晶體


        上圖中簡單的講:石英晶體的定向切割的晶向角0度轉0度的水晶片,或0轉90度的水晶片,只是改變成像的正向寫反向,0度轉45度即1/4波片, 45度轉45度即1/2波片。而藍玻璃只是起到近紅外過濾更好一點。 所以在激光器中應用的石英晶體(也叫水晶片),說的旋光片,就是二分之一波片。就是把Tp轉化成Ts光。


        偏振光Tp經過一次1/2波片或者兩次1/4波片變成Ts


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