光学偏振片基础教程-LCD显示屏-段码液晶屏-深圳华之晶
2020-05-06

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偏振片简介
大部分偏振片都是线偏振片,用于透过某个方向的线偏振光,而正交方向的偏振光则被吸收或偏转。非偏振光通过理想的线偏振片变成线偏振光,透过率是50%。


非偏振光通过线偏振片后变成线偏振光

线偏振光通过理想线偏振片的透过率使用马吕斯定律计算。其中θ为光偏振方向和线偏振透射轴的夹角,θ等于0°时透过率为1,θ等于90°时透过率为0。深圳LCD厂商

根据马吕斯定律,两个偏振片通过旋转能够组成可调偏振衰减器,如下图所示。深圳LCD厂商


可调偏振衰减器
某线偏振片对线偏振光的最大透过率是90%,现以非偏振光连续通过两个这样的偏振片。如果两偏振片透射轴的夹角为θ,请确定θ为30°、45°和60°时非偏振光通过上述装置的透过率。
解:非偏振光通过两偏振片的透过率:

T1为非偏振光对第一偏振片的透过率
T2为偏振光对第二偏振片的最大透过率
T1等于0.45,T2等于0.9,所以:

代入θ值知透过率分别为30%、20%和10%。深圳LCD厂商

实际偏振片不可能只透过一个方向的偏振并完全抑制另一个方向的偏振。透射光的偏振度可用消光比(ER)表征:最高透过率和最低透过率的比值。经济型薄膜偏振片的ER只有100到5000,而双折射晶体的ER可达10万甚至100万。

偏振片的其它重要性能参数还有波长范围、透过率、损伤阈值、接收角和通光孔径等等。以下介绍偏振片的类型及其性能优势和应用。

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偏振片的类型
经济型薄膜偏振片分为吸收型和漫反射两种,其价格便宜,尺寸可以很大,接收角可达30°,不过消光比较低,容易因为吸收过热导致损伤,所以一般用于低功率应用。下图是Ø2英寸经济型薄膜偏振片和1/4波片组成的椭圆偏振器,可将非偏振光变成椭圆偏振光。当线偏振片透射轴和1/4波片快轴成45度则为圆偏振器。深圳LCD厂商


椭圆偏振器:线偏振片加1/4波片

纳米粒子偏振片是一种高质量吸收型偏振片,其构造是在薄玻璃片中嵌入长椭球形纳米粒子,为了保护偏振薄膜可夹在折射率匹配的两片玻璃中间。纳米粒子薄膜偏振片的消光比和激光损伤阈值都远高于经济型塑料薄膜偏振片,当然价格更高。

双折射晶体偏振器不仅消光比非常高,而且能承受高功率,因为它们不是通过吸收而是以不同角度分出不需要的偏振。常用的双折射晶体包括偏硼酸钡(BBO)、方解石(CaCO3)、氟化镁(MgF2)、石英、金红石和钒酸钇(YVO4)等等。

两块晶体以各种不同的光轴方向粘合(或者空气隙设计)可以构造很多不同类型的偏振器,比如格兰泰勒、格兰激光、格兰汤普森、沃拉斯顿和Rochon等等。单块晶体则可设计不同的光束位移器。

晶体偏振器的工作方式不同:
1. 对于格兰泰勒、格兰激光(前者的高能量版本)和格兰汤普森偏振器,S偏振光在界面发生全反射,而P偏振光直接出射,如下面的动态图所示。格兰泰勒使用空气隙,格兰汤普森使用胶粘,所以前者承受的功率更高。


格兰泰勒偏振器工作动态图深圳LCD厂商

2. 对于沃拉斯顿和Rochon偏振器以及单晶体光束位移器,两正交偏振光只通过双折射分开较小的角度,它们相当于偏振分束器,而且分束角度和波长有关;此时不发生全反射。下表总结了双折射晶体偏振分束器O光和E光的出射方向(相对入射光)。

晶体偏振分束器
O光角度
E光角度

光束位移器(单块晶体)
平行
平行

Rochon偏振器
平行
偏转

沃拉斯顿偏振器
偏转
偏转

双折射晶体偏振器的设计区别:
1. 沃拉斯顿等类型属于真正的偏振分束器,输出完全偏振的两束正交偏振光。但是格兰泰勒和格兰汤普森的反射光中包含所有S光和部分P光,并非完全偏振光。因为很多应用只使用高纯度P光,所以反射光部分偏振没有关系。

2. 晶体偏振器类型不同,其光束输出方向也不同,这在上面的图示中很清楚。深圳LCD厂商

3. 有些偏振器只能在较窄的入射角范围内使用,有些则更宽。格兰汤普森接收角可达40°,远远大于格兰泰勒。不过小角度对于低发散激光不是问题。

4. 胶粘设计比空气隙设计的激光损伤阈值更低。格兰泰勒使用空气隙设计,格兰汤普森使用胶粘设计,所以前者承受的功率更高。

5. 很多偏振器可能镀增透膜,波长范围因此变窄。

6. BBO可工作在特别短的紫外波长。

线栅偏振片:偏振方向和线栅平行的光被反射,偏振方向和线栅垂直的光被透射。线栅偏振片工作范围很宽。对于封装在EAGLE XG玻璃中的金属线栅,工作波长范围从400到700 nm,而封装在融石英中的波长范围从250 nm到4 µm。



全息金属线栅的工作范围从2到30 µm,具体取决于使用的红外透射基底,包括氟化钡、氟化钙、KRS-5或硒化锌,其消光比在150到300之间。Thorlabs也提供硅基底中红外线栅偏振片,波长范围是3~5或7~15 µm,消光比高于全息金属线栅。

除了以上介绍的类型,介质膜偏振分束器、布儒斯特窗片、偏振带通滤光片和消偏振片也可归于偏振片范畴。

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琼斯矩阵算法
琼斯矩阵很方便确定光学元件对偏振光的影响,光偏振态用1×2琼斯矢量表示,光学元件用2×2琼斯矩阵表示。下面以线偏振为例说明。

偏振方向与x轴成θ角的线偏振光的琼斯矢量:

θ等于arctan(B/A)。

透射轴与x轴成θ角的线偏振片的琼斯矩阵:

偏振光通过光学元件M的矩阵变换:

J1是入射前的琼斯矢量,J2是透过后的琼斯矢量。深圳LCD厂商

假设沿x轴偏振的光通过两个线偏振片,第一片的透射轴与x轴成45度,第二片的透射轴与x轴垂直。试用琼斯矩阵证明输出光的偏振方向垂直于x轴,并且强度变为原来的四分之一。

参考答案
第一片透射轴与x轴成45度,琼斯矩阵为:

第二片透射轴与x轴垂直,琼斯矩阵为:

入射光的琼斯矢量为:

透射光的琼斯矢量为:

从中可知透射光的偏振方向垂直于x轴,并且电场振幅变为原来的1/2,因此强度变为原来的1/4。深圳LCD厂商
简单的线偏振通过琼斯矩阵计算看似冗余,此处只是说明琼斯矩阵的基本用法,其在复杂偏振计算中的优势更为明显。

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偏振片应用举例
共振腔内使用偏振片使激光发射线偏振光,一般加一个布儒斯特窗片就行。如果需要提高激光偏振度,可以将激光通过高消光比偏振片。

半波片加偏振片搭建可调光衰减器,因为旋转波片可以改变光偏振方向,因此改变透过率(马吕斯定律)。
两偏振片加法拉第旋转器构造偏振光隔离器。深圳LCD厂商
两束偏振激光通过偏振片合束;相干偏振合成是一种倍增激光功率的常用技术。



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