偏振片（Polarizers）基础知识

偏光片是一种光学元件，用于过滤、改变或分析光的偏振状态。偏振片可集成到光学系统中，以增加对比度、减少眩光或测量温度变化、磁场或测量化学反应。

偏振态
由于光是一种电磁波，因此它的波具有电场，这种波垂直于传播方向摆动。非极化光的电场方向在时间上随机波动。非偏振光的例子包括太阳光、卤素灯、LED射灯和白炽灯。偏振光的电场具有明确的方向。激光是最常见的偏振光。根据电场的方向，有三种偏振：

线性偏振
线性偏振是指光的电场沿传播方向被限制在一个平面内。

相对于光线在表面上的入射平面，有两种正交的线性偏振状态，即P偏振和S偏振，它们对反射和透射非常重要。P极化光（源自德语 "平行 "一词）的电场极化平行于入射平面。S极化光（源自德语senkrecht）垂直于入射平面。

图1. 线性偏振波的描述（左）和线性偏振光的标准符号（右）。
圆偏振
圆偏振是指光的电场由两个相互垂直、振幅相同、但相位差为π/2的线性分量组成。由此产生的电场将围绕传播方向旋转一圈，根据旋转方向的不同，被称为右旋或左旋圆偏振光。

椭圆偏振
椭圆偏振是指光的电场呈现椭圆形。这是由两个具有不同振幅或相位差不为π/2的线性分量组合造成的。椭圆偏振是对偏振光最常见的描述，而圆偏振光和线性偏振光可以看作是椭圆偏振光的不同版本。

图 2. 当偏振平面与快轴成任意角度时，λ/4 迟滞对线性偏振光的影响。
偏振片定义
偏振片性能通常由以下规格表征：

k₁: 主透射率或插入损耗是指偏振片方向为最大透射率时线性偏振入射光的透射率。

k₂: k₂: 小透射率或阻挡效率是指线性偏振光在偏振片方向为最小透射率时的透射率。

其他性能特性可从k1和k2值推导或直接测量：

k₁/k₂： 主要透射比或对比度。

T_T：总透过率，是单个偏振片在非偏振入射光中的透过率 = (k₁ + k₂) / 2

H₀：开口透射率，(k1² + k2²) / 2，是两个偏振片在无偏振入射光下的最大透射率。

H₉₀: 闭合透射率k₁k₂是两个偏振片在非偏振入射光中的最小透射率。

极化度和消光比

线性偏振片的偏振特性通常由偏振效率 (P) 和消光比 (ρp)定义，可随波长和入射角变化。
P = (k₁ - k₂) / (k₁ + k₂) ρ_p = k₁ / k₂

接受角

入射角度是偏光片在设计入射角度的最大偏差，在此角度下，偏光片的性能仍符合其规格要求。入射角为0°、45°或布儒斯特角时，大多数偏振片都能达到最佳工作状态。

损坏阈值

制造偏振片所使用的材料和偏振片的实际设计共同决定了激光损伤阈值。双折射偏振片的激光损伤阈值最高。 分光镜（两个光学元件粘合在一起）的激光损伤阈值较低，而空气间隔双折射偏振片的激光损伤阈值较高。

二向色偏振片
二向色偏振片的偏振机理是入射辐射的选择性吸收和透射。二向色是各向异性偏振材料的选择性偏振吸收，也称为衰减。各向异性是指材料在不同方向测量时具有不同值的物理性质。例如取向聚合物分子和拉伸纳米粒子。二向色偏振片具有有限的损坏阈值和环境稳定性，玻璃二向色偏振片在这些方面的性能优于塑料二向色偏振片。当应用需要非常大的孔径时，二向色偏振片非常有用。它们还可用于显微镜、成像和显示应用。

聚合物偏光片
精密线性偏光片是通过在两个高精度AR镀膜玻璃或熔融石英窗口之间层压一层薄的拉伸和染色聚合物偏光膜而制成的。聚合物在一个方向上经过拉伸和应力处理，使长聚合物分子排列整齐，从而产生过滤效果，允许平行于应力方向振荡的光波通过，同时阻挡其偏振。这种结构紧凑的元件适用于低于1 W/cm2的通量密度。聚合物偏光片可用于整个可见光谱。

薄膜偏振片
通过先进的涂层设计和精细的生产流程，可实现卓越的高能偏振片性能。这些光学器件是为世界上一些要求最苛刻的激光器开发的。某些偏振片涂层已针对Nd:YAG激光器进行了优化。当这些偏振片以布鲁斯特角安装时，消光比超过100:1。薄膜偏振器也针对超短脉冲进行了优化。这些薄膜偏振器的设计目的是为超快钛蓝宝石再生放大器提供卓越的性能。虽然这些放大器的脉冲长度相对较长，但如果要在再压缩脉冲中保持脉冲宽度，脉冲色散仍然是一个问题。放大器中的多次往返会对腔体中任何光学器件的色散特性产生倍增效应。因此，我们在设计和测试这些偏振器时付出了巨大的努力，以实现最小的脉冲色散。

方解石晶体线性偏振器
方解石线性偏振器利用晶体材料的双折射来改变入射光的偏振。所需偏振光的传输和剩余光的偏差与双折射材料的折射率以及晶体之间的切角直接相关。晶体偏振器通常由两块双折射晶体组成，在特定的晶轴上切割和对齐，以获得特定的偏振行为结果。晶体偏振片具有很高的光学纯度，非常适合需要高损伤阈值和优化消光比的各种激光应用。这些偏振片具有高达100,000:1的高消光比，并包含在可安装的阳极氧化铝外壳中。偏光片包括 Glan-Laser 方解石偏光片、Glan-Thompson 方解石偏光片、可旋转 Glan-Thompson 方解石偏光片和 Wollaston 方解石偏光棱镜。

偏光立方体分光镜
偏光立方体分光镜由一对精密的直角棱镜组成，这对棱镜在光学上紧密接触或粘合在一起，以最大限度地减少波前畸变。其中一个棱镜的斜边上有一层电介质涂层。偏振分光镜的设计目的是将光分成两束--反射的S偏振光和透射的P偏振光。它们可用于以50/50的比例分割非偏振光，也可用于偏振分离应用，包括光隔离。

光纤偏振元件
光纤偏振是一个非常重要的特性，可用于任何光纤测量或系统。光纤偏振控制产品包括手动偏振控制器、偏振波束合路器和分路器、光纤在线偏振器、固定比偏振保持耦合器、光纤法拉第旋转镜和光纤去偏振器。

这些特种光纤只允许一种偏振态传播。任何其他偏振方向的光都将产生明显的光损耗，无法在光纤中传播。偏振光纤在设计上具有极强的双折射性，因此只有所需的偏振方向的光才能在光纤中传播，所有其他偏振方向的光都具有极高的损耗。与在线偏振器相比，偏振光纤具有多项优势，包括插入损耗更低、消光比更高以及无需复杂的组件装配和封装。