【入門】 偏光和retardation

偏光解析是什麼?

「偏光解析」平常不太會聽到這類術語.但這術語背後有個流傳下來的都市傳說.....在很久以前的冰島海盜,當遇到太陽與星星被雲遮住時,就會使用透明度高的方解石「Iceland Spar（冰洲石）」的結晶,來掌握船隻航行方向.

方解石為偏光稜鏡的材料.據說海盜將此方解石命名為「Sunstone太陽之石」. 並利用透過Sunstone的太陽光(2重像),來替代指南針.

硬要說海盜會偏光解析也不言過.恐怕當時的海盜也不知此方法為偏光解析,只是將此方向定位手法作為讓航行順利成功的存活手段.
而且當時是發生在羅盤還沒被發明的時代.

想不到古時候的海盜就已會進行偏光解析,這傳說聽起來不覺得有種莫名的浪漫嗎?

何謂偏光?

話說,什麼是偏光?

光雖有波的性質及粒子的性質,但偏光被分類在波的性質.通常沒有外部影響的光就稱為自然光.自然光的波會朝任何方向震動.針對自然光,朝特定方向震動及有規律性的震動就稱為偏光.

朝特定方向震動的稱為直線偏光、而有規律性震動的則有橢圓偏光及圓偏光.
橢圓偏光及圓偏光會依照波長的軌跡形狀來被分類.

然後,自然光和偏光混合的時候就稱為部分偏光.
而量測機台主要就是對自然光及偏光進行量測解析.(圖1)

前述的海盜所進行的量測解析則為部分偏光.


  圖1. 何謂偏光

偏光子又是什麼?

從朝任何方向震動的自然光取出其中一方向震動的直線偏光的光學元件就稱為偏光子.

偏光子有塊狀的偏光稜鏡(圖2)和板狀的偏光板(圖3). 偏光稜鏡是利用透過複曲折性結晶的特性及偏光方向的全反射角的差異,將偏光分離的光學元件.海盜所使用的Sunstone（方解石）也是複曲折性結晶.


  圖2. 偏光的光學元件(偏光Prism)


  圖3. 偏光的光學元件(偏光板)

另一方面,一般的偏光板是利用物質的吸收特性的方位角依存(二色性)進行偏光分離的光學元件.普遍偏光板是由一邊將PVA（Polyvinyl alcohol）膜朝一方向拉伸,一邊浸泡於碘溶劑而製成.因PVA膜的吸水性強,所以會將碘吸收.更進一步的,透過將膜延伸,碘溶劑會沿著膜的遲相軸而被配向.配向後的碘溶劑只會讓一個方向的光透過,並吸收其他方向的光.而這樣的特性就稱為二色性.偏光板就是透過二色性做為偏光子運作.而因PVA膜在物理上相當脆弱的關係,通常會夾於2層的TAC（Tri acetyl cellulose）膜等的基板膜之間所使用.

其他板狀的偏光板中,有像是利用透過奈米金屬線的偏光分離性的金屬線柵偏光片,另外像是玻璃偏光板,於玻璃的內部將金屬配向,利用金屬粒子的表面電漿子吸收、混合型等其他方式的偏光子也是存在的.

曲折率及複曲折率

不管於任何方向,曲折率在同物質下,因光學等方性物質、方向而產生曲折率差異的物質就稱為光學異向性物質.

光學等方性物質的曲折率只有單個,而光學異向性物質則是擁有複數的曲折率,所以也被稱為複曲折性物質.

作為偏光錂鏡材料的方解石（Calcite）的結晶、液晶等等的棒狀分子、朝一方向延伸的相位差膜等就像這樣(圖4)


  圖4. 光學異向性物質(複曲折性物質)

曲折率如下圖的公式



透過此公式就可以了解到曲折率高時,透過內部的光速度會變慢,曲折率低時光速度則會變快.然後、複曲折性的物質的情況下,方位曲折率會有差異的關係,會因為射入的直線偏光的震動方位讓透過內部時的光速度產生差異.

慢軸、快軸及retardation

複曲折性的物質在曲折率高的方向稱為慢軸（Slow Axis）、曲折率低的方向稱為快軸（Fast Axis）.然後,慢軸及快軸合在一起稱為光學軸又或單稱為軸.於慢軸或快軸方向射入直線偏光的話,物質內部的光速度會因曲折率而低下,但在透過物質後會因為回到相同的空氣中而回復速度,所以不會發生相位差.

於慢軸又或者快軸的不同方向上射入直線偏光時,在x成分和y成分下光速度會有差異的關係,在透過物質時就會產生相位差.

此相位差的最大數是在軸的方位角45度.
依複曲折性物質的相位差就稱為複曲折相位差「retardation（Re ）」

實際上物質的曲折率會因為光的波長而有差異,相對的retardation也會因波長而產生差異.( retardation的波長分散)


  圖5. 複曲折相位差 “Retardation(Re)”

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