光的偏振

定義

光的偏振（polarization of light）：振動方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性叫做偏振，它是橫波區(qū)別于其他縱波的一個明顯的標志。光波電矢量振動的空間分布對于光的傳播方向失去對稱性的現(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，且平均說來任一方向上具有相同的振幅，這種橫振動對稱于傳播方向的光稱為自然光（非偏振光）。凡其振動失去這種對稱性的光統(tǒng)稱偏振光。

下面來說一說這幾種偏振光。

一、線偏振光

在光的傳播過程中，只包含一種振動，其振動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比

二、圓偏振光

旋轉(zhuǎn)電矢量端點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的，沒有規(guī)律的。

三、橢圓偏振光

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

四、部分偏振光

光波包含一切可能方向的振動，但不同方向上的振幅不等，在兩個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際上是由許多振動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。當入射光以某一角度入射到透明介質(zhì)中時，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)生上面所說的現(xiàn)象，經(jīng)過N層玻璃片之后，折射光線中的s偏振幾乎可以認為沒有了，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，設計膜系使布儒斯特角為45°，然后兩個等腰直角棱鏡膠合，就變成了偏振分光棱鏡（PBS）。入射光垂直進入棱鏡，在各膜層之間反復反射和折射，并最后被分解成兩束偏振相互垂直的線偏光。看似和干涉沒什么關(guān)系，我們看反射光，當精準控制膜系的時候就會產(chǎn)生多光束干涉。

4、線柵起偏器中簡單的平行導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 ,當非偏振光入射其上時 ,電矢量沿導線方向的光波會被線柵吸收 ,而電矢量垂直于線柵的光分量則能透過 ,因而線柵透射光的電振動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以硫化鋅或硒化鋅為基底的閃耀光柵上，此時金屬積聚在光柵的每 —個臺階的邊緣形成很細的“導線”,如下圖所示 ,它們的間隔 d 小于一個波長。

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 ,但是效應很微弱 ,并且與波長有密切關(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射出的自然光通過盛水的器皿M，如果水經(jīng)過仔細清潔處理，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，就會產(chǎn)生強烈的散射，從各個方向看，光束都是明顯可見的，在與入射光垂直的方向用檢偏器P進行觀察，可以發(fā)現(xiàn)散射光是偏振的。電場的振動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;這樣當自然光透過第一玻片進入晶體而被分成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)有選擇地吸收通過它的某一偏振方向的光波，這種物質(zhì)可認為是光學二向色的(或稱雙色性物質(zhì))，許多礦物和有機化合物都具有二向色性。對于o光和e光有不同吸收作用的晶體稱為二向色晶體。例如，電氣石能強烈吸收o光而很少吸收e光。因此自然光通過二向色晶體后，出射光是線偏振光。

在激光問世以前 ,二向色偏振器是應用廣的一類偏光器件 ,除較早認識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行工藝加工 ,使針狀晶粒都相互平行 ,當揮發(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。 這些晶粒對某一方向的光矢量有強烈的吸收 ,而對相對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率和光學性質(zhì)兩方面均有很強的各向異性 ,所以也可用熱解石墨來制作二向色起偏器。

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，簡稱e光。o光和e光都是線偏振光，o光的振動方向垂直于它對應的主平面(晶體的光軸和光線所組成的平面)，e光的振動方向平行于它所對應的主平面。在大多數(shù)情況下，這兩個主平面之間的夾角很小。因而o光和e光的振動方向可以認為是互相垂直的。

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膠粘合成一個斜方柱形棱鏡。如圖9所示，自然光射入第一棱鏡，分成o光和e光。由于所選用的樹膠的折射率(n=1.55)介于方解石對o光的折射率(no=1.658)和e光的主折射率(ne=1.486)之間，o光射到樹膠層時，發(fā)生全反射，由涂黑的側(cè)面吸收，而e光透過樹膠層并穿過第二棱鏡射出。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型，將一塊方解石加工成直角長方體，再切成兩個楔塊，然后粘合起來，這樣得到的出射光與入射光在一直線上。格蘭型設計又有兩種形式，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計稱格蘭2泰勒棱鏡。

橢圓偏振光的獲得

使線偏振光經(jīng)過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。

光的偏振分為自然光（沒有偏振）、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。當一束光通過檢偏器，轉(zhuǎn)動檢偏器，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)檢偏器光強沒有發(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有這種現(xiàn)象，也就是說我們不可以分辨出這兩種偏振態(tài)；如果旋轉(zhuǎn)檢偏器光強有強弱變化，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。

通過上面的簡要分析我們看到一個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。俗話說解鈴還須系鈴人，想要分辨出這兩組偏振態(tài)還得請出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1/4波片，它就會把圓偏振還原成線偏振光，而1/4波片對自然光沒影響，我們再轉(zhuǎn)動檢偏器，如果光束還是沒有產(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檢驗，這需要注意了偏振片停留在透射光強度大的位置，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)動偏振片會若出現(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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