偏振的原理及偏振元件的應用，光是一種電磁波，電場的振動方向與傳播方向垂直。普通光線的電場振動方向是隨機的，太陽光，鹵素燈光等都是如此。那么如果在光傳播方向的垂直截面上，電場隨時間的變化是明確的，則這樣的光線稱為偏振光。在光學設計中，工程人員往往更多關注光的波長和強度，而忽略了其偏振指標，其實偏振是光的重要特性，利用光的偏振性可以實現多種應用。本文將介紹偏振的原理和類型，以及幾種典型的工程應用。

上文提到，光是一種電磁波，電磁波是典型的橫波，電場（E）和磁場（B）的方向與光的傳播方向（Z）垂直，根據電場的方向不同，我們將偏振光分為三種類型。

圖1 光的電磁波屬性

了解了三種不同的偏振光類型，我們可以思考如何人為調整光的偏振態，能夠改變光的偏振狀態的器件都被稱為偏振器，目前常用的偏振器大致可以分為吸收/反射型偏振器（如線柵偏振器，二向色偏振器）和分光型偏振器（如雙折射偏振器。）

線柵偏振器是常見的反射型偏振器，它由相互平行的規則細金屬線陣列組成，然后將其放置在與非偏振入射光束呈90度角的平面內。沿著這些線陣格柵振動的光被反射，而垂直于這些線陣格柵振動的光被傳輸。

圖5 線柵偏振片原理圖

其他反射型偏振器利用特定角度（布儒斯特角）入射時，反射光的偏振態是與入射面垂直的S偏振，折射光的偏振態幾乎都是與入射面平行的P偏振。

圖6 布儒斯特角原理圖

二向色偏振器是吸收型偏振器，它傳輸所需的偏振并吸收其余部分，其原理是單向拉伸摻雜特殊復合材料的基板，這樣復合物大致在一個方向上排列，光的偏振方向與該方向一致時會被強烈吸收，而垂直于該方向的光則被透過。這類偏振器使用廣泛，從低成本層壓塑料偏振器到高成本玻璃納米粒子偏振器，二向色偏振器可以做很大的尺寸，因此非常適合成像和顯示應用。

圖7 二向色偏振器示意圖

雙折射偏振器屬于分光型偏振器，它的工作原理是利用雙折射晶體的特性，對不同偏振態光束的折射率不同。由于對s偏振光和p偏振光的折射率不同，入射的非偏振或橢圓偏振光在進入晶體時將分裂成兩個單獨的光束。大多數雙折射偏振器由兩塊雙折射晶體棱鏡以一定的連接角度和晶軸角度組合而成。這類偏振器幾乎不吸收或反射入射光束，因此較適合激光應用，它有優異的消光比和寬波長范圍，但是價格比較高。

圖8 雙折射偏振器原理圖

以上幾種偏振器件可以將非偏振光或者橢圓偏振光人為調整為需要的線偏振光，如果想將線偏振光調整為圓/橢圓偏振光，可以搭配使用1/4波片來實現；如果想改變線偏振光的振動方向或者改變圓/橢圓偏振光的旋向，可以搭配使用1/2波片來實現，延遲波片產品的原理和具體選型可參考聯合光科往期技術文章波片的選型和常規指標介紹。

實現了對光線偏振態的控制，我們可以將這種控制用于各種成像系統中，以消除光散射產生的眩光，消除反射物體的反光點，增加對比度。經過優化的成像有助于更好的識別表面缺陷或者其他隱藏的問題。也可以利用物質的非均勻性產生的不同折射率對偏振態的影響，用偏光檢測儀檢測樣品的內部應力狀態或者雙折射率與厚度關系。
 

1.  機器視覺系統使用場景下，被攝物體和相機傳感器之間的許多隨機雜散光將被攝物的許多細節遮蔽了，將線偏振片安裝在機器視覺系統的鏡頭前和光源前，可以消除模糊的眩光，提高圖像質量進而提高機器視覺軟件分析測量的準確度。
 

2. 專業攝影中，水面以下物體的反射光線會被空氣/水交界面被反射光線所掩蓋，很難拍攝清楚水面以下的物體，在攝影攝像鏡頭上增加濾光片可以大大減少水面的反射眩光更清晰的觀察水下物體的細節。
 

3. 除了對散射眩光，高反射光的抑制消除提高圖像質量以外，偏振檢測技術還可以檢測材料內部應力。在玻璃和塑料等非晶透明固體中，材料中溫度和壓力分布產生的內部應力會導致材料特性的局部變化，從而使材料具有雙折射和非均勻性。90°交叉的偏振片之間無內部應力的被測樣本應產生一個暗場，當樣本存在內部應力時，折射率的局部變化將改變偏振角，從而導致透射率變化。
 

對于偏光器件的工程應用還有很多，本文不一一舉例。在科研領域中，線偏振器件常與1/4延遲波片、漩渦波片搭配使用，產生圓偏振光束和特定拓撲何數的渦旋光束用于各種科學實驗。聯合光科將推出更多偏振器件、波片產品滿足科研用戶的需求。