问题

有没有一种偏振片对不合要求的光线是反射的而不是吸收?

回答
当然有。对于某些特定应用,我们确实需要那种能够“弹开”不需要的光线,而不是让它们“消失”在吸收材料里的偏振片。这听起来有点反直觉,毕竟我们通常接触到的偏振片(比如太阳镜上的)是通过吸收来工作的。但请放心,这并非什么玄学,而是基于物理学原理的巧妙设计。

我们通常说的偏振片,最常见的一种是利用二向色性(dichroism)的材料。这类材料的分子结构是取向排列的,当光线穿过时,一个方向的偏振光会很容易被吸收,而另一个方向的偏振光则能相对自由地通过。最典型的例子就是我们熟知的J膜(Jfilm),它在制造过程中,将一种叫做碘(iodine)的分子吸附到取向排列好的聚合物(通常是聚乙烯醇,PVA)薄膜上。碘分子就像一个微小的“天线”,它对特定偏振方向的光有很强的吸收能力。当不希望的光线(即被阻挡的那个偏振方向的光)遇到碘分子时,碘分子就会吸收它的能量,并将其转化为热量或者其他形式的能量耗散掉。这就是我们平时看到的偏振片在“吸收”不想要的光线。

那么,有没有另一种方式呢?答案是肯定的,而且这正是某些高级偏振片的设计思路。这种方法不依赖于吸收,而是利用光的反射来达到偏振的目的。实现这一目标的关键在于利用界面和选择性反射的原理。

想象一下,我们有没有可能制造出一种界面,它对某一偏振方向的光反射率非常高,而对另一个偏振方向的光反射率非常低?这听起来有点像“镜子”,但又不是我们常见的全反射镜。

这里就不得不提到一类叫做介质堆叠膜(dielectric multilayer films)的偏振器件。它们通常是由交替沉积的两种或多种具有不同折射率的介质薄膜构成。这些薄膜的厚度被精确控制,通常是光波长(或者其整数倍)的四分之一。

我们知道,当光线在不同折射率的介质界面上发生反射时,会遵循菲涅耳方程(Fresnel equations)。菲涅耳方程告诉我们,反射的强度取决于光线的入射角度、偏振状态(是s偏振还是p偏振)以及两种介质的折射率。

在介质堆叠膜的设计中,工程师会巧妙地选择介质材料和膜层厚度,使得当特定偏振方向的光(比如s偏振光)以特定角度入射时,从各个界面反射出来的光能够相长干涉(constructive interference),从而产生非常高的整体反射率。而与此同时,另一种偏振方向的光(比如p偏振光),在相同条件下,从各个界面反射出来的光会发生相消干涉(destructive interference),从而导致整体反射率非常低,大部分光能够透过。

最经典的例子就是布儒斯特角(Brewster's angle)和萨姆威尔特定反射镜(Samllwell reflective polarizers)。

利用介质堆叠膜实现偏振反射:
原理:核心在于利用多层不同折射率的介质薄膜,对特定偏振光产生强烈的相长干涉反射。
结构:通常由数十甚至上百个非常薄的介质层交替叠加而成。例如,高折射率材料(如TiO2、Ta2O5)和低折射率材料(如SiO2、MgF2)可以交替沉积。
工作方式:当光线以特定角度(通常是接近布儒斯特角,但不是完全的布儒斯特角)入射到这样的膜系时,s偏振光会经历多次反射,并且这些反射的光波在相位上能够叠加增强,导致非常高的反射率,相当于将s偏振光“弹开”了。而p偏振光在遇到各个界面时,其反射的相位关系使得它们相互抵消,大部分p偏振光能够穿透过去。
优点:
低损耗:与吸收型偏振片不同,这种偏振片几乎不吸收光线,因此对通过的光线损耗非常小,尤其适用于对光强要求极高的应用。
高偏振度:可以设计出非常高的偏振比,即反射的光和透过的光具有极高的偏振纯度。
宽光谱范围:可以通过精细设计,使其在较宽的光谱范围内都能工作。
高功率承受能力:由于不吸收光线,对高强度激光等应用非常友好,不易损坏。
缺点:
角度敏感性:这种偏振器的性能对入射角度非常敏感。如果角度偏离设计值,其偏振性能会显著下降。
成本相对较高:制造工艺复杂,需要高精度控制膜厚和材料。
偏振方向固定:一旦制造完成,其偏振轴方向就固定了,不像某些吸收型偏振片可以旋转。

另一种实现方式:表面光栅偏振器(Diffractive Polarizers):
原理:通过在材料表面制造微米或纳米级别的周期性结构(光栅),当光线以特定角度入射时,这些结构会根据光的偏振方向对其产生不同的衍射行为。
工作方式:某些类型的表面光栅可以设计成对某一偏振方向的光产生强烈的衍射(例如,将光引导到一定角度),而对另一偏振方向的光则允许其近似直线传播,从而实现偏振。
优点:可以集成到其他光学元件上,或者制造得非常薄。
缺点:通常也存在角度敏感性,且衍射效率和偏振度可能不如介质堆叠膜。

实际应用中的例子:

激光系统中:在激光器内部或光路中,经常需要滤除特定偏振方向的光,以保持激光的偏振状态。吸收型偏振片在高功率激光下容易过热损坏,而介质堆叠膜型的偏振器则因其低损耗和高功率承受能力而成为理想选择。
科学仪器中:例如在某些显微镜、光谱仪或干涉仪中,需要精确控制光路的偏振状态,同时又要保证信号的强度,这时反射型偏振器就非常有用。
显示技术中:在一些高端显示器或投影仪中,为了提高亮度、对比度和色彩饱和度,也会用到一些特殊的反射型偏振元件,它们能够将不需要的偏振光反射回光源,循环利用,从而提高整体效率。

总而言之,确实存在利用反射原理工作的偏振片,它们通常是基于多层介质膜或者表面光栅结构。这些偏振器不吸收光,而是通过物理的“弹开”方式来分离不同偏振方向的光,尤其适用于对光损耗敏感、需要高功率承受能力或极高偏振纯度的场合。它们与我们日常接触到的吸收型偏振片在工作原理上有着本质的区别,是光学工程领域里一项非常重要的技术。

网友意见

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有的,偏振片本来就分为两种,一种是吸收型,另一种就是反射型,

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