起偏鏡

起偏鏡是一種濾光器，使特定偏振光的光通過並阻擋其他極化光波，它可以將未定義或混合極化的光束轉換為明確定義的偏振光束，即偏振光。 常見的起偏鏡類型是線起偏鏡和圓起偏鏡。起偏鏡用於許多光學技術和儀器，偏振濾鏡可用於攝影和液晶顯示技術。 除了無線電波，微波和X射線之外，起偏鏡也可以用於除光之外的其他類型的電磁波。

線性起偏鏡可以分為兩大類：吸收起偏鏡，其中不需要的偏振狀態被器件吸收，以及分束起偏鏡，其中非偏振光束被分成具有相反極化狀態的兩個光束。 維持具有不同入射角的相同的偏振軸的起偏鏡通常稱為笛卡爾起偏鏡，因為偏振矢量可以用獨立於偏振器表面的取向的簡單笛卡爾座標（例如，水平與垂直）來描述。 當兩個偏振態相對於表面的方向（通常用菲涅爾反射發現）時，它們通常稱為s和p。 笛卡爾和s-p極化之間的這種區別在許多情況下可以忽略不計，但是對於實現高對比度和入射光的廣角角度擴展而言，這是很重要的。 ^[1] 

某些晶體，由於晶體光學所描述的影響，顯示二色性，優先吸收在特定方向上極化的光。因此，它們可以用作線起偏鏡。最着名的這種類型的水晶是電氣石。然而，該晶體很少用作起偏鏡，因為二色性效應是強烈的波長依賴性的，並且晶體看起來是有色的。草藥也是二色性的，顏色不強，但難以在大晶體中生長。

偏振片偏振濾鏡在原子尺度上與線柵偏振器類似地起作用。它最初是由微觀的herapathite晶體制成。目前的H型片由聚乙烯醇（PVA）塑料製成，具有碘摻雜性。在製造過程中拉伸片材使得PVA鏈在一個特定的方向上對齊。來自碘摻雜劑的價電子能夠沿着聚合物鏈線性移動，但不橫向於它們。因此平行於鏈的入射光被片吸收;傳輸垂直於鏈的偏振光。寶麗來的耐用性和實用性使其成為使用中最常見的偏光鏡類型，例如太陽鏡，照相濾光片和液晶顯示器。它也比其他類型的偏振器便宜得多。 ^[2] 

一種現代的吸收式起偏鏡由細長的銀納米顆粒製成，它嵌入薄（≤0.5毫米）的玻璃板中。這些偏光片更耐用，可以比塑料偏光片更好地偏振光，實現高達100,000：1的極化率和正確偏振光的吸收低至1.5%。這種玻璃起偏鏡對於短波長紅外光效果最佳，廣泛應用於光纖通信。

光束分離起偏鏡將入射光束分成兩束不同的線偏振光束。 對於理想的偏振分束器，它們將是完全極化的，具有正交偏振。 然而，對於許多常見的光束分離起偏鏡，兩個輸出光束中只有一個是完全極化的。 另一個包含極化狀態的混合。

與吸收起偏鏡不同，光束分離起偏鏡不需要吸收和消散被拒絕的偏振狀態的能量，因此它們更適合用於諸如激光的高強度光束。 真偏振分束器在兩個偏振分量要同時分析或同時使用時也是有用的。 ^[3] 

當光從兩個透明材料之間的界面以一定角度反射（通過菲涅耳反射）時，反射率對於入射平面中偏振的光和垂直偏振的光不同。在平面中偏振的光被稱為p偏振光，而垂直於它的偏振是s偏振光。被稱為布魯斯特角的特殊角度，沒有p偏振光從表面反射，因此所有反射光必須s極化，電場垂直於入射平面。 ^[4] 

可以通過以布魯斯特角度的一疊玻璃板傾斜梁來製造簡單的線性起偏鏡。一些s偏振光從每個板的每個表面反射。對於一疊板，每個反射消耗s偏振光的入射光束，在每個階段在透射光束中留下更大部分的p偏振光。對於空氣和典型玻璃中的可見光，布魯斯特角度約為57°，梁中存在的s偏振光的大約16%被反射為每個空氣對玻璃或玻璃到空氣的過渡。通過這種方法，需要許多板來實現發射光束的均勻偏振。對於10個板（20個反射）的堆疊，傳輸約3%（=（1-0.16）20）的s偏振光。反射光束在完全極化的同時被展開，可能不是很有用。

通過以與入射光束更陡的角度傾斜一疊板，可以獲得更有用的偏振光束。反直覺地，使用大於布魯斯特角的入射角度，會以降低總體傳播為代價產生較高的透射光束偏振度。對於陡度大於80°的發射角，透射光束的極化可以接近100%，只有四個板，儘管在這種情況下透射強度非常低。添加更多的平板並減小角度可以實現傳輸和極化之間的更好的折中。

線柵起偏鏡將非偏振光束轉換成具有單線性偏振的光束。彩色箭頭描繪了電場矢量。對角極化波也有助於透射極化。它們的垂直分量被傳輸（示出），而水平分量被吸收和反射（未示出）。

由於它們的極化矢量取決於入射角，所以基於菲涅耳反射的偏振器本身傾向於產生s-p偏振而不是笛卡爾偏振，這限制了它們在某些應用中的應用。

其他線性起偏鏡利用晶體的雙折射性質，如石英和方解石。在這些晶體中，入射在其表面上的非偏振光束被折射分成兩束。 Snell定律適用於這兩種射線，普通或者o射線，以及非凡或e-ray，每根射線遇到不同的折射率（這稱為雙折射）。通常，兩個射線將處於不同的偏振態，儘管除了相對於晶軸的某些傳播方向之外，它們不在線偏振狀態。

尼古拉稜鏡是早期類型的雙折射起偏鏡，其由方解石晶體組成，其已經被加拿大苦瓜分裂並重新加入。切割晶體使得o射線和e射線處於正交的線偏振狀態。 o光線的全內反射發生在苦瓜界面，因為它在方解石中的折射率比香脂中的折射率高，而且光線偏轉到晶體側。在方解石中看到較小折射率的e-ray透射通過界面而沒有偏轉。尼古拉稜鏡產生非常高的偏振光純度，並被廣泛用於顯微鏡，儘管在現代使用中，它們已經被替代品替代，例如格蘭 - 湯普森稜鏡，格蘭福柯稜鏡和格蘭 - 泰勒稜鏡。這些稜鏡不是真正的偏振分束器，因為只有透射光束是完全極化的。

渥拉斯頓稜鏡是另一個雙折射起偏鏡，由具有正交晶軸的兩個三角方解石稜鏡組成。 在內部接口處，非偏振光束分裂成兩個線偏振光，其將稜鏡離開15°-45°的發散角。 Rochon和Sénarmont稜鏡是相似的，但在兩個稜鏡中使用不同的光軸取向。 Sénarmont稜鏡是空氣間隔的，不像Wollaston和Rochon稜鏡。 這些稜鏡真正將光束分成兩個具有垂直偏振的完全偏振光束。 渥拉斯頓稜鏡稜鏡是Wollaston稜鏡的一種變體，廣泛應用於差分干涉對比顯微鏡。 ^[5] 

薄膜線性起偏鏡是應用特殊光學塗層的玻璃基板。布魯斯特的角度反射或影片中的干擾效應都會使它們成為分束起偏鏡。用於膜的基材可以是以特定角度插入到梁中的板，或者與第二楔形物接合以形成立方體的玻璃楔，其中薄膜沿對角線跨過中心（一種形式的這是非常普遍的MacNeille立方體）。薄膜起偏鏡通常不如格蘭型起偏鏡那樣好，但是它們便宜並且提供了大致相同的極化的兩個光束。立方體偏振器通常表現優於平板起偏鏡。前者容易與格蘭型雙折射起偏鏡混淆。 ^[6] 

最簡單的線性偏振器之一是線柵起偏鏡（WGP），其由許多細平行的金屬線組成，放置在平面中。 WGP主要反映非透射極化，因此可用作偏振分束器。與大多數介電偏振器相比，寄生吸收相對較高，儘管遠低於吸收起偏鏡。

具有與電線平行排列的電場分量的電磁波將導致電子沿着電線長度的移動。由於電子在該方向上自由移動，所以當反射光時，起偏鏡以與金屬表面相似的方式起作用，並且波沿入射光束向後反射（減去焦耳加熱損失的少量能量電線）。

對於垂直於導線的電場的波，電子不能跨越每條導線的寬度移動很遠。因此，反射的能量很少，入射波能夠通過電網。在這種情況下，電網的行為就像電介質材料。

總的來説，這使得透射波被完全垂直於電線的電場線性偏振。波浪“穿過”電線之間的間隙的假設是不正確的。

為了實際的目的，導線之間的間隔必須小於入射輻射的波長。另外，每根導線的寬度應與導線之間的間距相比較小。因此，構建用於微波，遠紅外和中紅外輻射的線柵起偏鏡相對容易。此外，先進的光刻技術還可以構建非常緊湊的間距金屬網格，從而使可見光的極化達到有用的程度。由於偏振度幾乎不依賴於波長和入射角，因此它們用於寬帶應用，如投影。

對於線柵起偏鏡，使用嚴格的耦合波分析的分析解決方案已經表明，對於垂直於導線的電場分量，介質表現得像電介質，並且對於平行於導線的電場分量，介質的行為就像金屬（反射） 。

圓起偏鏡也稱為圓偏振濾光器，可用於產生圓偏振光，或者選擇性地吸收或通過順時針和逆時針圓偏振光。 它們被用作攝影中的偏振濾光器，以減少非金屬表面的傾斜反射，並且是用於觀看一些立體電影（特別是RealD 3D品種）的3D眼鏡的透鏡，其中光的偏振用於區分 哪個圖像應該被左眼和右眼看到。 ^[7] 

有幾種方法來製造圓偏振光，最便宜和最常見的是在線性起偏鏡之後放置四分之一波片，並引導非偏振光通過線性起偏鏡。離開線起偏鏡的線偏振光通過四分之一波片轉換為圓偏振光。線性起偏鏡的透射軸需要在四分之一波片的快軸和慢軸之間的一半（45°）。

在上述佈置中，線性起偏鏡的透射軸相對於右水平面成45°角，以橙色線表示。四分之一波片具有水平慢軸和垂直快軸，並且也用橙色線表示。在這種情況下，進入線性起偏鏡的非偏振光顯示為其線偏振的幅度和角度突然變化的單波。

當試圖通過線性偏振器傳遞非偏振光時，只有具有正45°角的電場的光離開線性偏振器並進入四分之一波片。在圖示中，所表示的非偏振光的三個波長將被轉換成線偏振器的另一側上的三個波長的線性偏振光。

正好在線偏振光進入四分之一波片之前的電場。紅線和相關的場向量表示電場的大小和方向如何沿着行進方向而變化。對於該平面電磁波，每個矢量表示垂直於行進方向的整個平面的電場的大小和方向。

為了理解四分之一波片對線偏振光的影響，將光分為兩個彼此成直角（正交）的分量是有用的。為此，藍色和綠色線分別是紅色線對垂直和水平面的投影，並表示電場在這兩個平面方向上的變化。兩個分量具有相同的幅度並且同相。

因為四分之一波片由雙折射材料製成，所以在波片中，光依照其電場方向以不同的速度行進。這意味着沿着波片的慢軸的水平分量將以比沿着垂直快軸指向的分量慢的速度行進。最初兩個部件是同相的，但是當兩個部件穿過波片時，光的水平分量比垂直的部分更遠。通過調整波片的厚度，可以控制在光離開波片之前水平分量相對於垂直分量延遲多少，並且它們以相同的速度再次開始行進。當光離開四分之一波片時，向右水平分量將正好是垂直分量後面的波長的四分之一，使得從接收器觀察時，左側的光線偏振。

離開波片後的圓偏振光，用於比較進入四分之一波片的線偏振光。在上圖像中，由於這是一個平面波，從軸線到螺旋線的每個向量表示垂直於行進方向的整個平面的電場的大小和方向。所有電場矢量具有相同的量值，表明電場的強度不變。然而，電場的方向穩定地旋轉。 ^[8] 

藍色和綠色線分別是垂直和水平面上螺旋線的投影，並表示電場在這兩個平面方向上的變化。請注意，向右水平分量現在是垂直分量背後的四分之一波長。