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偏振片(polarizers)
定义：
是一种光滤波器，光的透射率与偏振方向直接相关。

偏振片是一种光滤波器，其中光的透射率与其偏振状态直接相关。通常是某一方向的线偏振光可以通过，而偏振方向与其垂直的光则不能通过：会被吸收或者反射到其它的方向上。 
还可以制作只有特定方向的圆偏振光可以通过的器件，一般是采用一个或者多个四分之一波片与线偏振片结合起来。 
偏振片并不能将任意偏振态的入射光转化成需要的偏振方向。它只能消除不需要的偏振光。 

目录 
  1. 理想偏振片与实际偏振片
  2. 光学偏振片的类型 
2.1 吸收偏振片（二色性偏振片）
2.2 利用双折射的偏振分束器
2.3 薄膜偏振片
2.4 线栅偏振片
  1. 偏振片的主要参数
  2. 光学偏振器的应用

理想偏振片与实际偏振片 
理想的偏振片具有下列性质： 
  • 特定的线偏振态的光可以完全通过（不会产生任何能量损耗），而与其垂直的方向偏振的光则完全不能通过。 
  • 通过光的偏振度为100%，并且电场横截面不会发生改变。 
  • 任何波长、任意功率的光都适用。 
实际中的偏振片并非如此。实际中，它会吸收或反射一部分的能量，并且吸收部分的能量会引起热效应引起光束畸变。性能很大程度上取决于所采用的偏振片的类型。 
不同情况下采用偏振片的目的是不同的： 
  • 有时采用偏振片是为了保证输出是线偏振的（具有很高的偏振度），因此入射光偏振态的改变等是不关心的。 
  • 有些情况下需要分离开不同的偏振成分。通常，二者都需要很高的偏振度。 
  • 偏振片也可以用于偏振合束，得到的光可能是偏振的也可能是非偏振的。（参阅偏振合束。） 

光学偏振片的类型 
吸收偏振片（二色性偏振片）
低功率时，通常采用偏光过滤器（偏振板）。包含一个特殊掺杂的塑料板（复合材料），并且在一个方向上存在拉伸，这样复合物大致在一个方向上排列。光的偏振方向与该方向一致时会被强烈吸收，而垂直于该方向的光吸收则非常弱。这种聚合物板通常放置在很坚固的物体上面，通常在上面存在标记，指示最大透射对应的方向。 
偏光镜也是采用类似的板。太阳镜中只有竖直偏振的光可以透射。这可以减小从水表面反射的强光，因为水平偏振光在该表面上的反射更强。在3D偏振眼睛中，一只眼睛得到的是垂直偏振光，而另一只眼睛则是水平偏振光。因此，3D显示器透射不同的影像到人的两只眼睛中。 
聚合物板偏振片可以非常大，并且很便宜。 
更新的吸收偏振片是将银或铜纳米颗粒嵌入到薄玻璃片上得到的。这种玻璃偏振片非常昂贵，并且现在还不能制作非常大的尺寸，但是在偏振消光比方面比传统的好很多。层压结构更加坚固，并且波前畸变很小。 
吸收滤波器只能工作在有限的功率范围内（损伤阈值低），因为吸收的能量会转化成热，然后引起光学损伤。对于一个简单的聚合物板偏振片，光强只能达到 1 W/cm2。 


利用双折射的偏振分束器
将不能通过偏振片的光反射到其它方向时，偏振片就可以工作于更高功率的情况。（如果反射后需要把光吸收，可以采用束流收集器，它能够承担比光学器件高很多的功率。）大多数偏振分束器利用了透明晶体材料的双折射，例如，石英（SiO2），方解石（CaCO3），钒酸钇（YVO4），β-硼酸钡（BBO）或氟化镁（MgF2）。通常会将两种不同光轴指向的材料粘在一起（或者中间存在很小的空隙）。装置会采用聚合物外壳，其中包含一个束流收集器来吸收不能通过的光。 
  
图1：Glan-Taylor棱镜。S偏振光发生全反射，而由于入射角接近于布儒斯特角，因此p偏振的反射率很小。
双折射偏振片采用了不同的物理原理： 
  • 有的偏振片，例如，Nichol棱镜， Glan-Thompson棱镜，Glan-Taylor棱镜和Glan-Foucault棱镜，一个偏振态会发生全反射，而另一个偏振态不会，因此可以得到完全不同的输出光束。 
  • 还有一些其它的偏振片，例如，Wollaston棱镜，Nomarski棱镜，Rochon棱镜和Senarmont棱镜，利用双折射后得到不同的折射角。这里两束光分离的比较小。 
这些双折射晶体偏振片的差别体现在： 
  1. 用作偏振分束器的，例如Wollaston棱镜，两个出射光束是完全偏振的。而其它的装置则不是，例如，Glan-Thompson棱镜，Glan-Foucault棱镜和Glan-Taylor棱镜（这些也可以优化成分束器）。很多情况下只需要用到一个出射光，因此这一方面不太需要考虑。 
  2. 有些偏振片中（例如，Glan-Taylor透镜，Glan-Foucault棱镜，Rochon棱镜和Senarmont棱镜），只有一束光没有偏移，即在偏振器中连续传播，传播方向与入射光束相同。 
  3. 有些器件只适用于某一很窄范围内的入射角度，而有些器件的接受角范围很大。例如，Glan-laser棱镜是在Glan-Taylor棱镜基础上变化而来的，只工作于很窄入射角范围（采用弱发散激光光束时没有问题），但是光学损耗很小，损伤阈值很高。 
  4. 采用胶黏剂的器件比采用空隙的器件的光学损伤阈值低。 
  5. 很多偏振片具有抗反射涂层，该涂层只在有限波长范围内起作用。 
  6. 有些晶体材料，例如BBO，可以工作于很短波长时，例如紫外光谱区域，而其它的则适用于红外光。 
由于不同条件下对偏振片的要求不同，因此需要设计多种双折射偏振片来满足实际的需求。 
 

薄膜偏振片
  
图2：薄膜偏振片.
薄膜偏振片也有很多类型。图2所示的薄膜偏振片包含了玻璃衬底和其上的介质涂层。（衬底材料不需要是双折射的。）在非垂直入射时（入射角在某一范围），涂层的反射率与偏振有关。可能在偏转角为90°处得到没有通过的光束。很多薄膜偏振器都工作于布儒斯特角度，这时不需要采用抗反射涂层。 
偏光立方体分束器是在一个45°棱镜上采用介质涂层，另一个45°棱镜黏在涂层上，因此总体是一个立方体结构。 
它们只能工作在有限波长范围内，多层介质中的干涉效应与波长有关。然而，还是可以工作在几百纳米的范围内的。 
薄膜偏振片的一个优势在于可以制作很大的尺寸，这对于晶体（双折射）偏振片很困难。 
词条薄膜偏振片中包含了更多的细节。 

线栅偏振片
线栅偏振片是将很窄（亚波长）的金属条制备在玻璃衬底上（采用光刻技术）或制备在无支撑设备上（波长更长时）。这种装置会反射s偏振光，p偏振光则会透射。这种偏振片可以工作在很高功率的情况。 

偏振片的主要参数 
偏振片可由下面一些参数来表征其性能： 
  1. 透射偏振态的损耗需要尽量小。这里并不用损耗来表征，而是采用通过量（例如，99.5%）。该参数受限于抗反射涂层。 
  2. 需要尽量抑制不能通过的偏振光。常用的参数是偏振消光比（或对比度），是最小透射率与最大透射率的比值。普通的板偏振片的消光比仅为1:500，而高质量双折射偏振片（例如，Glan-Taylor棱镜）可以达到1：106。有时也需要表征消光本身，是入射光中不能通过的光占入射光束的比值。偏振片中两个输出光的偏振消光比可能差别很大。例如，偏振立方体的反射光束比透射光束的偏振消光比低很多。 
  3. 每个偏振片都有标称的波长范围。也就是在该范围内可以得到其他参数的值。激光线偏振片通常是薄膜偏振片，通常优化在某一窄波长范围内工作，并且性能很好。基于双折射的薄膜偏振片可以工作在很宽的波长范围内。 
  4. 入射角度范围也是有限的。例如，偏振立方体工作的角度范围很窄（只有3°），采用强发散光是不适用的，但是将其用于准直激光光束不存在任何问题。有些偏振片的角度范围可以达到10°甚至更大。尤其是二色性玻璃偏振片和线栅偏振片。 
  5. 在很多应用中需要波长畸变很小，否则偏振器会使光束质量变差。考虑到这个方面，二色性聚合物偏振片和线栅偏振片就存在问题，而晶体偏振片的波前畸变很小。 
  6. 每个偏振片都存在最大的平均功率。对于非吸收偏振片，在寄生损耗比较小时，该功率会比较高。 
  7. 尤其是当采用强激光脉冲工作时，例如调Q激光器，光学阈值损耗很重要。在峰值功率很高时，需要很大的通光孔径。然而，大的通光孔径通常价格更高，尤其是晶体（双折射）偏振片。而薄膜偏振片和板偏振片，制作很大的尺寸比较容易。 
  8. 在实际应用中，几何特性也是很需要关心的。有的偏振片比通光孔径长，而有的则非常薄。反射的偏振组分的角度也是非常重要的。可以设计为45°，有的情况下，需要得到足够大的角方向的分离。 
  9. 还有一个关心的参数是引入的色散大小，例如，当超短脉冲透过长的晶体偏振器的情况下。 
在极限波长区域很难得到很好性能的偏振片，尤其是紫外光谱区域。 
在具体应用中选择合适的偏振片也是相对比较复杂的，因为需要考虑到很多方面和很多参数。不同情况下有不同的要求也是为什么存在如此多种类的偏振片的原因。 

光学偏振器的应用 
偏振器具有很多种的用途。例如： 
  1. 偏振太阳镜和照相用滤波器可以抑制太阳光在水平面的反射光，该反射光通常是部分偏振的。 
  2. 激光器谐振腔中的偏振片会使激光器辐射线偏振光。这里通常不需要很高的偏振消光比；采用一个简单的布儒斯特盘就足够了。 
  3. 如果激光光束本身是线偏振的，但是偏振度不高，可以将该光束射向一个具有很高偏振消光比的偏振片提高其偏振度（并且保证偏振方向稳定）。 
  4. 将波片和一个偏振片结合在一起可以作为一个可变的光衰减器：旋转波片使其偏振方向旋转，偏振片的透射率相应的会发生改变。 
  5. 法拉第隔离器通常包含两个偏振器和一个法拉第旋转器。 
  6. 两个偏振激光光束可以在偏振片处偏振合成为一束（参阅偏振合束）。相干偏振合束是一种功率缩放技术。
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