光的偏振

定義

光的偏振（polarization of light）：振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱性叫做偏振，它是橫波區(qū)別于其他縱波的一個(gè)明顯的標(biāo)志。光波電矢量振動(dòng)的空間分布對(duì)于光的傳播方向失去對(duì)稱性的現(xiàn)象叫做光的偏振。只有橫波才能產(chǎn)生偏振現(xiàn)象，故光的偏振是光的波動(dòng)性的又一例證。在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，包含一切可能方向的橫振動(dòng)，且平均說(shuō)來(lái)任一方向上具有相同的振幅，這種橫振動(dòng)對(duì)稱于傳播方向的光稱為自然光（非偏振光）。凡其振動(dòng)失去這種對(duì)稱性的光統(tǒng)稱偏振光。

下面來(lái)說(shuō)一說(shuō)這幾種偏振光。

一、線偏振光

在光的傳播過(guò)程中，只包含一種振動(dòng)，其振動(dòng)方向始終保持在光的偏振同一平面內(nèi)，這種光稱為線偏振光（或平面偏振光)。

線偏振光與圓偏振光對(duì)比

二、圓偏振光

旋轉(zhuǎn)電矢量端點(diǎn)描出圓軌跡的光稱圓偏振光，是橢圓偏振光的特殊情形。在我們的觀察時(shí)間段中平均后，圓偏振光看上去是與自然光一樣的。但是圓偏振光的偏振方向是按一定規(guī)律變化的，而自然光的偏振方向變化是隨機(jī)的，沒(méi)有規(guī)律的。

三、橢圓偏振光

在光的傳播過(guò)程中，空間每個(gè)點(diǎn)的電矢量均以光線為軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且電矢量端點(diǎn)描出一個(gè)橢圓軌跡，這種光稱為橢圓偏振光。迎著光線方向看，凡電矢量順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的稱右旋橢圓偏振光，凡逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的稱左旋橢圓偏振光。橢圓偏振光中的旋轉(zhuǎn)電矢量是由兩個(gè)頻率相同、振動(dòng)方向互相垂直、有固定相位差的電矢量振動(dòng)合成的結(jié)果。

四、部分偏振光

光波包含一切可能方向的振動(dòng)，但不同方向上的振幅不等，在兩個(gè)互相垂直的方向上振幅具有max值和min值，這種光稱為部分偏振光。自然光和部分偏振光實(shí)際上是由許多振動(dòng)方向不同的線偏振光組成。

各種偏振光的獲得方式

線偏振光的獲得

1、反射產(chǎn)生線偏振光

使用的方法就是大家很熟悉的布儒斯特定律。當(dāng)入射光以某一角度入射到透明介質(zhì)中時(shí)，反射光為偏振方向垂直于入射面的偏振光（s偏振光），投射光線為部分偏振光。通過(guò)這種方法我們就得到了s偏振光。

s偏振光的獲得

2、由折射產(chǎn)生線偏振光

如果想要偏振方向平行于入射面的偏振光怎么辦呢？我們也有辦法！思路就是入射光以布儒斯特角日射一堆平行放置的玻璃片，在每一層玻璃片上都產(chǎn)生上面所說(shuō)的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)N層玻璃片之后，折射光線中的s偏振幾乎可以認(rèn)為沒(méi)有了，只留下p偏振光。

3、由干涉產(chǎn)生線偏振光

由玻片堆啟發(fā)我們把玻璃片換成各種膜，在等腰直角棱鏡的斜面上交替蒸鍍高低折射率的膜層，設(shè)計(jì)膜系使布儒斯特角為45°，然后兩個(gè)等腰直角棱鏡膠合，就變成了偏振分光棱鏡（PBS）。入射光垂直進(jìn)入棱鏡，在各膜層之間反復(fù)反射和折射，并最后被分解成兩束偏振相互垂直的線偏光?？此坪透缮鏇](méi)什么關(guān)系，我們看反射光，當(dāng)精準(zhǔn)控制膜系的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生多光束干涉。

4、線柵起偏器中簡(jiǎn)單的平行導(dǎo)線柵是由許多平行的金屬絲密排組成的平面結(jié)構(gòu)。 

按照電磁波的輻射理論 ,當(dāng)非偏振光入射其上時(shí) ,電矢量沿導(dǎo)線方向的光波會(huì)被線柵吸收 ,而電矢量垂直于線柵的光分量則能透過(guò) ,因而線柵透射光的電振動(dòng)矢量與柵格是垂直的。線柵偏光鏡制造工藝是蒸發(fā)一束金原子如鋁原子 ,以近掠入射角射到一個(gè)以硫化鋅或硒化鋅為基底的閃耀光柵上，此時(shí)金屬積聚在光柵的每 —個(gè)臺(tái)階的邊緣形成很細(xì)的“導(dǎo)線”,如下圖所示 ,它們的間隔 d 小于一個(gè)波長(zhǎng)。

另外還可用衍射光柵或小階梯光柵產(chǎn)生偏振光。衍射光柵反射的光是偏振的 ,但是效應(yīng)很微弱 ,并且與波長(zhǎng)有密切關(guān)系；而小階梯光柵可產(chǎn)生明顯的線偏振光。

5、由散射產(chǎn)生線偏振光

如圖5所示，由光源S射出的自然光通過(guò)盛水的器皿M，如果水經(jīng)過(guò)仔細(xì)清潔處理，則從垂直光束的方向觀察器皿，幾乎看不到光束，也就是原光束不向旁方向散射。如果把少量肥皂水或牛奶滴到器皿里，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的散射，從各個(gè)方向看，光束都是明顯可見(jiàn)的，在與入射光垂直的方向用檢偏器P進(jìn)行觀察，可以發(fā)現(xiàn)散射光是偏振的。電場(chǎng)的振動(dòng)方向垂直于入射光線與觀察方向所形成的平面。

利用光的強(qiáng)烈散射或全反射而產(chǎn)生的偏振可制造散射型人造偏振片，如圖6所示，它是由二片ZK3平玻璃片夾住一層硝酸鈉晶體而成的。產(chǎn)生偏振的原理:ZK3的折射率n=1.5891，而硝酸鈉晶體中尋常光的折射率no=1.5854，非常光的折射率ne=1.3369;這樣當(dāng)自然光透過(guò)第一玻片進(jìn)入晶體而被分成e光與o光后，因ne比n小得多，故e光幾乎全部被晶體散射或反射，它無(wú)法從晶體中射出。可是no與n近似相等，在晶體中幾乎不發(fā)生反射和散射，因此自然光射入第一玻片及硝酸鈉晶體后，o光幾乎全部能從第二玻片中射出。

6、由二向色性獲得線偏振光（人造偏振片）

如果某種物質(zhì)有選擇地吸收通過(guò)它的某一偏振方向的光波，這種物質(zhì)可認(rèn)為是光學(xué)二向色的(或稱雙色性物質(zhì))，許多礦物和有機(jī)化合物都具有二向色性。對(duì)于o光和e光有不同吸收作用的晶體稱為二向色晶體。例如，電氣石能強(qiáng)烈吸收o光而很少吸收e光。因此自然光通過(guò)二向色晶體后，出射光是線偏振光。

在激光問(wèn)世以前 ,二向色偏振器是應(yīng)用廣的一類偏光器件 ,除較早認(rèn)識(shí)的偏振片電氣石外均為人造偏振片 ,如微晶型偏振片 (J 片) 和分子型偏振片 ( H 片或 K 片) 。 微晶型偏振片是在透明的基片上蒸鍍一層某種晶粒 (如碘酸碘奎寧或硫酸奎寧堿) ,或者將某些晶體 (如碘硫酸金雞鈉) 均勻地混合在硝化纖維的透明粘滯液體中 ,然后將這種粘滯液放在玻璃板上進(jìn)行工藝加工 ,使針狀晶粒都相互平行 ,當(dāng)揮發(fā)性溶劑自行揮發(fā)后 ,便結(jié)成一張玻璃紙似的透明膜片。 這些晶粒對(duì)某一方向的光矢量有強(qiáng)烈的吸收 ,而對(duì)相對(duì)垂直方向的光矢量吸收很少 ,從而使入射的自然光變成線偏振光。 現(xiàn)在常使用的一種偏振片是用聚乙烯醇薄膜經(jīng)碘溶液浸泡 ,然后沿一定方向拉伸并烘干制成 ,這種偏振片稱為 H 偏振片。 還有一種 K 偏振片 ,它是將聚乙烯醇薄膜放在高溫爐中 ,通以氯化氫 ,除去聚乙烯醇分子中的一些水分子 ,再單向拉伸而成 ,見(jiàn)圖 7 。

此外 ,還可以在玻璃或塑料表面上涂上二向色薄膜制成拜爾比層起偏器 ;由于熱解石墨在電導(dǎo)率和光學(xué)性質(zhì)兩方面均有很強(qiáng)的各向異性 ,所以也可用熱解石墨來(lái)制作二向色起偏器。

7、由晶體的雙折射產(chǎn)生線偏振光

一束光射到某些晶體(如方解石、石英)上，在晶體內(nèi)分成兩束折射光，如圖8所示，這種現(xiàn)象稱為雙折射。在單軸晶體中的兩折射光束，有一束遵守折射定律，這束光稱為尋常光，簡(jiǎn)稱o光；另一束不遵守折射定律(即折射光線不一定在入射面內(nèi)，而且對(duì)不同的入射角，入射角的正弦與折射角正弦之比不是恒量)，這束光稱為非常光，簡(jiǎn)稱e光。o光和e光都是線偏振光，o光的振動(dòng)方向垂直于它對(duì)應(yīng)的主平面(晶體的光軸和光線所組成的平面)，e光的振動(dòng)方向平行于它所對(duì)應(yīng)的主平面。在大多數(shù)情況下，這兩個(gè)主平面之間的夾角很小。因而o光和e光的振動(dòng)方向可以認(rèn)為是互相垂直的。

激光偏光棱鏡分尼科耳型和格蘭型兩種結(jié)構(gòu)。尼科耳棱鏡是將兩塊根據(jù)特殊要求加工的方解石棱鏡用特種樹(shù)膠粘合成一個(gè)斜方柱形棱鏡。如圖9所示，自然光射入第一棱鏡，分成o光和e光。由于所選用的樹(shù)膠的折射率(n=1.55)介于方解石對(duì)o光的折射率(no=1.658)和e光的主折射率(ne=1.486)之間，o光射到樹(shù)膠層時(shí)，發(fā)生全反射，由涂黑的側(cè)面吸收，而e光透過(guò)樹(shù)膠層并穿過(guò)第二棱鏡射出。這樣，用尼科耳棱鏡便可獲得線偏振光。

格蘭棱鏡是尼科耳棱鏡的改進(jìn)型，將一塊方解石加工成直角長(zhǎng)方體，再切成兩個(gè)楔塊，然后粘合起來(lái)，這樣得到的出射光與入射光在一直線上。格蘭型設(shè)計(jì)又有兩種形式，如圖10所示，光軸與切面平行的膠合型結(jié)構(gòu)稱為格蘭2湯姆孫棱鏡;光軸與切面法線共面的膠合型結(jié)構(gòu)稱為李普奇棱鏡。有空氣隙的湯姆孫型結(jié)構(gòu)稱格蘭2傅科棱鏡;有空氣隙的李普奇型設(shè)計(jì)稱格蘭2泰勒棱鏡。

橢圓偏振光的獲得

使線偏振光經(jīng)過(guò)1/4波片即可得到主軸為波片光軸方向的托圓偏振光。

圓偏振光的獲得

圓偏振光是橢圓偏振光的一種特殊情況，使1/4波片的光軸方向與線偏振光的偏振方向夾角為45°，即可得到圓偏振光了。

偏振光如何檢測(cè)。

光的偏振分為自然光（沒(méi)有偏振）、部分偏振光和全偏振光。其中全偏振又分為線偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光。

想要分辨偏振態(tài)的話檢偏器是不可缺少的。當(dāng)一束光通過(guò)檢偏器，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，出現(xiàn)消光現(xiàn)象的，可以斷定這束光是線偏振光；如果旋轉(zhuǎn)檢偏器光強(qiáng)沒(méi)有發(fā)生變化，從上面的圖示中可以看出，圓偏振光和自然光都會(huì)有這種現(xiàn)象，也就是說(shuō)我們不可以分辨出這兩種偏振態(tài)；如果旋轉(zhuǎn)檢偏器光強(qiáng)有強(qiáng)弱變化，那么可以斷定這束光要么是部分偏振光，要么是橢圓偏振光。

通過(guò)上面的簡(jiǎn)要分析我們看到一個(gè)檢偏器可以把一束未知光束分成三組：

現(xiàn)在的矛盾聚焦在了如何區(qū)分剩下的兩組偏振態(tài)。橢圓偏振光和圓偏振光都是脫胎于線偏振光的，由線偏振到橢圓或者圓偏振引入了一件工具——1/4波片。俗話說(shuō)解鈴還須系鈴人，想要分辨出這兩組偏振態(tài)還得請(qǐng)出1/4波片。

如何分辨自然光和圓偏振光

在檢偏器之前加一個(gè)1/4波片，它就會(huì)把圓偏振還原成線偏振光，而1/4波片對(duì)自然光沒(méi)影響，我們?cè)俎D(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，如果光束還是沒(méi)有產(chǎn)生消光現(xiàn)象，那么這束光就是自然光了，反之就是圓偏振光。

如何分辨部分偏振光和橢圓偏振光

還是利用老方法，把橢圓偏振光還原成線偏振光來(lái)檢驗(yàn)，這需要注意了偏振片停留在透射光強(qiáng)度大的位置，在偏振片前插入1/4玻片，使玻片的光軸與偏振片的投射方向平行，再次轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片會(huì)若出現(xiàn)消光現(xiàn)象，即為橢圓偏振，即橢圓偏振片變?yōu)榫€偏振光；若還是不出現(xiàn)消光，則為部分偏振光。

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