导读

双折射是透明各向异性介质的重要光学特性，表现为正交偏振分量在材料中传播时具有不同折射率，从而产生光束分离或相位差。双折射不仅与材料内部微结构、应力状态和外场响应密切相关，也是偏振调控、材料表征、应力检测、生物成像和精密制造中的关键参数。

近期，清华大学、中北大学和南京理工大学等单位的研究团队以 “Polarization Optical Metrology for Linear Birefringence in Transparent Anisotropic Medium” 为题，在 Light: Advanced Manufacturing撰写综述文章，系统总结了基于偏振光学的透明介质线性双折射测量方法。

本文围绕双折射的物理机制、测量对象分类、统一偏振光学理论框架、典型测量技术及代表性应用展开讨论。作者重点梳理了偏振调制分析方法、干涉测量方法及其他光学测量技术，比较了不同方法在测量精度、系统复杂度、适用范围和实时性方面的特点，并展望了双折射测量向高精度、多功能、实时化和智能化发展的趋势。

双折射：透明介质中的“隐形信息”

双折射源于材料内部结构或外部作用导致的光学各向异性。当光在各向异性介质中传播时，两个正交偏振分量会经历不同的折射率，进而产生相位延迟。对于线性双折射而言，最核心的两个参数是相位延迟和延迟轴方向：前者反映两个偏振分量之间的相位差，后者决定光场在材料中的偏振分解方向。

通过测量这两个参数，可以揭示常规表征手段难以获取的隐秘信息。例如，透明光学元件中的残余应力、聚合物薄膜中的分子取向、生物组织中的胶原纤维排列，以及新型超构器件中的人工各向异性结构，都可以通过双折射测量得到表征。因此，双折射测量不仅是基础光学中的经典问题，也正在成为先进制造、生物医学和新型光子器件研究中的重要工具。

图1：线性双折射的形成机制、测量方法及应用概览

双折射的形成机制： 从天然、人工到外场诱导

文章首先从机制上将双折射分为三类：天然双折射、工程双折射和诱导双折射。天然双折射主要来源于晶体或高分子材料自身的结构各向异性，例如方解石、石英、拉伸聚合物薄膜以及部分生物组织中的有序纤维结构。工程双折射又称形状双折射，通常通过亚波长微纳结构设计实现，例如超构表面中的各向异性纳米砖结构，其几何尺寸和旋转角度可以精确调控相位延迟和光轴方向。诱导双折射则来自外界作用，如应力、电场、磁场、温度或光场等，其中应力双折射和电控双折射在工业检测与偏振调制器件中应用广泛。

基于测量双折射对象的时间和空间变化特征，文章进一步将双折射样品分为静态、动态、空间分布和时空变化四类。不同类型样品对测量系统提出了不同要求：静态样品强调高精度和高稳定性，动态样品强调时间分辨率，空间分布样品强调空间分辨率，而时空变化样品则需要高速、大视场和多维数据处理能力。

图2：双折射机制：(a) 以各向异性超表面纳米砖为例的工程双折射；(b) 以光弹调制器为例的应力诱导双折射; (c) 以液晶可变延迟器为例的电致双折射；(d) 以电光调制器为例的电致双折射

统一偏振光学框架：从 Jones 到 Mueller

无论采用何种具体光路，线性双折射测量的本质都是通过分析光的偏振状态变化，反推出样品的相位延迟和延迟轴方向。文章指出，现有双折射测量技术虽然形式多样，但都可以在 Jones 矩阵或 Mueller 矩阵框架下进行统一描述。Jones 矩阵适用于完全偏振、相干光场，可以直接描述相位和振幅变化；Mueller 矩阵则工作在强度域，更适合部分偏振光和退偏样品。二者分别对应不同的测量场景，但共同构成了现代偏振光学测量的理论基础。

基于这一统一框架，文章将双折射参数获取方式概括为四类：(1) 完整 Jones 或 Mueller 矩阵测量后分解参数；(2) 在特定线性延迟模型下直接求解相位延迟和延迟轴向；(3)在轴向已知或固定时仅测量相位延迟；(4)提取定性或部分偏振特征用于表征双折射行为。这种分类方式有助于理解不同测量方法之间的联系，也为新型测量系统设计提供了统一思路。

偏振调制分析：经典、灵活且易于扩展

偏振调制分析方法通常由光源偏振发生模块、待测样品和探测偏振分析模块组成。其基本思想是通过调控入射偏振态，并检测出射光强或偏振态变化，从而结合物理模型反推出样品的双折射参数。最简单的方案是正交偏振片的简式偏光仪，结构简单、成本低，适合快速观察应力或双折射分布，但通常只能进行定性或半定量分析。随着调制器件的发展，旋转波片、电光调制器、磁光调制器和光弹调制器等被引入测量系统，使双折射测量具备更高灵敏度和更强实时性。其中，波片调制方法具有较高灵活性，可用于测量静态、动态和空间分布双折射；电光调制器响应速度快，适合高速偏振控制；光弹调制器可实现高频调制，在高精度双折射测量中具有重要应用。近年来，偏振相机、液晶调制器以及基于超构表面的紧凑型偏振探测器也不断发展，为单次曝光、实时成像和集成化测量提供了新的可能。

图3：典型偏振调制分析方法：(a)基于正交偏振片的简式偏光仪；(b)偏振相机；(c–g)分别为基于波片、涡旋波片、电光调制器、磁光调制器和光弹调制器调制的双折射测量系统

干涉与其他光学方法：面向高灵敏和复杂场景

除偏振调制分析外，干涉测量方法也是双折射测量的重要方向。干涉方法利用相干光场中相位变化对双折射高度敏感的特点，可以实现高精度相位测量。典型方法包括 Mach–Zehnder 干涉、共路干涉、偏振全息以及自混合干涉等。这类方法尤其适合微小相位延迟、高灵敏度检测和复杂空间分布双折射成像。近年来，单次曝光 Jones 矩阵成像、偏振全息成像和共路结构不断发展，使动态样品的实时测量成为可能。与此同时，光谱法、光学相干层析、拉曼相关方法以及基于新型探测器的偏振测量技术，也为不同尺度、不同应用需求下的双折射表征提供了补充。总体来看，偏振调制方法结构直观、实现方式丰富；干涉方法灵敏度高、适合相位精密测量；其他光学方法则在宽光谱、深层成像和特殊材料表征方面具有独特优势。不同技术路线并非相互替代，而是面向不同样品和场景形成互补。

图4：典型干涉测量技术:(a–b) Michelson干涉双折射测量系统，其中 (b) 为偏振OCT；(c) Mach–Zehnder干涉；(d) Sagnac干涉；(e) Fizeau干涉；(f–h) 自混合干涉，分别对应正交相位差法、偏振跳变法和幅相调制法

应用场景：从应力检测到生物成像

双折射测量在应力分析中具有经典且重要的应用。透明玻璃、聚合物、晶体和精密光学元件在加工、冷却、装配或服役过程中常会产生残余应力，这些应力虽然难以通过常规观察发现，却会改变局部折射率并引入应力双折射。通过测量相位延迟和延迟轴方向，可以推断应力大小、主应力方向和空间分布，为工艺优化和质量控制提供依据。在先进材料表征中，双折射可以反映二维材料、各向异性超构材料、应变可调材料和功能薄膜的微观结构与偏振响应。在生物医学领域，双折射可用于观察胶原纤维、肌肉纤维、角膜组织以及肿瘤组织结构，具有无标记、高对比度和非破坏检测优势。在新型光学器件方面，波片、液晶可变延迟器、空间光调制器、涡旋波片和超构偏振器件等都需要通过双折射测量评估其相位调控精度和器件性能。

图5：双折射测量的应用场景：(a) 残余应力分析；(b) 材料表征；(c) 生物医学检测；(d) 新型光学偏振器件检测

总结和展望

本文系统综述了透明各向异性介质线性双折射的偏振光学测量技术，围绕物理机制、样品类型、统一理论框架、测量方法和代表性应用进行了全面梳理。文章指出，双折射测量既是理解材料内部各向异性的重要窗口，也是支撑精密制造、先进材料、生物医学和集成光子器件发展的关键技术。

未来，双折射测量将继续向高精度、高速度、大视场、多参数和智能化方向发展。一方面，偏振相机、超构表面、集成光子器件等新技术将推动测量系统更加紧凑和实时；另一方面，人工智能辅助的数据处理、误差校正和系统控制方法，有望进一步提高测量效率、可靠性和应用适应性。随着新材料、新器件和新制造工艺的不断发展，双折射测量将在科学研究和工程实践中发挥更加重要的作用。（来源：先进制造微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2026.078