行业知识 | “看清”世界，探秘光的偏振

 

在浩瀚的光学世界里，偏振光如同一把钥匙，悄然开启了传感器光学应用的新纪元。它不仅仅是光波振动方向的一种特殊表现，更是现代工业传感器设计中不可或缺的核心元素。

早在10年前，明治的光学工程师便将偏振技术融入光电传感器的设计中。当偏振光与传感器技术相遇，一场关于精准测量、高效检测与智能识别的革命悄然兴起。

 

光的偏振是指光波沿特定方向振动的行为。通俗地说，光可以像水波一样振动，但光的振动方向并不是无序的，而是沿着特定的方向振动。这种振动方向的特性称为光的偏振。

 

 

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偏振光的研究起源

1669年，丹麦科学家拉斯穆·巴多林第一次通过石英晶体发现了双折射——“线条魔法（纸上一条线，透过石英看到两条线）”；1690年，恵更斯在《光论》里对这一物理现象进行了详细的论述，但无法解释；同时代的牛顿对双折射现象的成因进行了猜测，但以失败而告终，因为牛顿用光的粒子性解释这种现象。1803年托马斯·杨著名的杨氏双缝实验证明了光的波动性，到了1808年，“偏振之父”马吕斯在波动光学的基础上完美地解释了双折射现象，并将这种性质称为“偏振”，证实了偏振是光的一种固有特性，于第二年发表论文提出了著名的马吕斯定律，从此开启了人类认知世界的又一个新维度。

左图为双折射现象，右图为光的偏振特性

 

由于偏振是波动光学的特性，需要用波动方程来描述，导致在实际测量、描述、应用计算中过于繁琐，很难用。于是，天才数学家斯托克斯于1852年提出了著名的 Stoke向量来描述偏振光，使得偏振变得简洁明了。你看，用四个参量S0、S1、S2、S3（也常用I、Q、U、V表示）组成4×1的列向量来确定光波的偏振态。

Stokes矢量

 

1892年，庞加莱提出了能够直观描述偏振态的Poincaré球表示法，1941年，琼斯引入Jones向量来描述，但该方法具有一定局限性，其只适用于完全偏振光，若想对于部分偏振光或非偏光进行计算，则需使用穆勒矩阵。

Poincaré球

 

Mueller矩阵由美国物理学家穆勒于1943年提出，用于表示斯托克斯矢量之间的变换，矩阵由4×4共16个参量构成。对于一般介质，通常各个穆勒矩阵元都具有特定的物理意义。无论是Stokes向量还是Mueller矩阵，都能够很好地描述偏振特性，在偏振成像中也扮演着重要角色。

硫酸镍晶体生长过程的Mueller矩阵

 

 

 

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光的横波性与偏振态

 

偏振:波振动对传播方向的非对称分布

偏振性:无论狭缝如何，纵波总能通过狭缝继续向前传播;而横波只有在狭缝方位与振动方向平行时，才能完全通过狭缝

 

即纵波不具有偏振性，横波具有偏振性→区分横、纵波的标志

电磁波属于横波，根据光的电磁本性，所以光波是横波，具有偏振性

 

振动面:光矢量的传播方向与振动方向构成的平面

偏振光的图示:在光波传播方向的轴线上用短线表示在振动面(纸面)内的光振动，圆点表示垂直于振动的光振动，短线或原点数量与其振动的强度正相关

 

 

光的五种偏振态:

 

 

 

 

偏振光在

传感器光学中的神奇应用

一、 高精度电流测量

在电流传感器中，偏振光技术展现了其独特的魅力。通过激光光源产生固定振动方向的偏振光，当光线穿过被测电流产生的磁场时，其偏振方向会发生微妙的变化。这一变化被精密的检测器捕捉并转化为电信号，从而实现对电流的高精度测量。这种技术不仅提高了测量的准确性，还增强了传感器的稳定性和抗干扰能力。

那么，位移传感器中偏振光的精度和可靠性提升是如何实现的呢？

位移传感器中偏振光的精度和可靠性提升主要通过以下几种技术实现：

1、偏振调制技术：利用米勒矩阵对偏振光进行调制，通过起偏器、萨伐尔板、两块1/4波片、光弹调制器和检偏器的组合，形成两个错位的偏振方向正交的像光栅。这种技术可以有效消除光源光强波动和电路增益变化引入的测量误差，抑制杂散光和探测器噪声的影响，从而提高测量精度。

2、DSP实现的偏振光直线位移传感器：基于光的偏振特性、马吕斯定理和法拉第旋光效应，采用同光源双光路检测，实现了大量程直线位移的测量。这种方法通过数字信号处理（DSP）技术，提高了位移传感器的精度和可靠性。

3、多方向偏振光实时定位技术：通过多方向阵列结构中的偏振光导航传感器实时检测天空多个方向的偏振光信息，并进行优选和融合处理，计算得到更加可靠且准确的位置信息。这种方法不仅提高了定位的精度，还增强了系统的实时性和可靠性。

4、仿生偏振光导航传感器设计：通过天空偏振光信息得到方向信息，并结合GPS接收器得到位置信息。采用小波去噪方法对传感器输出信号进行滤波，用最小二乘法和最小二乘向量机法补偿了传感器固有误差，显著提高了传感器的精度。

5、偏振分集技术：在光纤传感器中应用偏振分集技术，可以大大缓解偏振衰落问题，通过相位载波调制解调技术实现信号的稳定检测，从而提高系统的精度和可靠性。

 

 

二、 视觉检测与成像

在工业视觉检测领域，偏振相机利用偏振光的特性，极大地提升了检测的精度和效率。传统相机在面对高反射或低对比度物体时往往力不从心，而偏振相机则能过滤掉不必要的反射光，增强图像的对比度，使得划痕、凹痕等微小缺陷无所遁形。

明治带偏振光的智能读码器效果

此外，偏振相机还能通过偏振角度的着色，揭示出物体表面的应力分布和材质特性，为质量控制和材料分析提供了有力工具。

 

 

三、应力与形变检测

在材料科学和工程领域，偏振光技术被广泛应用于应力与形变的检测。当偏振光穿过受应力或形变的材料时，其偏振状态会发生变化。通过测量这种变化，可以准确地评估材料的应力分布和形变程度。这对于确保结构安全、优化材料设计具有重要意义。

 

 

四、通信与传感技术
 

在通信领域，偏振光也被用作信息传输的载体。通过调制偏振光的偏振状态，可以实现高速、大容量的数据传输。同时，在光纤传感技术中，偏振光被用来检测光纤中的微小变化，如温度、压力等物理量的变化，从而实现对环境参数的实时监测。

 

 

偏振光在传感器光学中的应用，不仅拓宽了传感器的应用领域，还提升了传感器的性能和精度。随着科技的不断发展，我们有理由相信偏振光技术将在更多领域展现出其独特的魅力和价值。让我们共同期待这场由偏振光引领的光学革命带来的无限可能！