偏振光的研究(课题实验)(2)

2.5椭圆偏振光

电矢量的端点在波面内描绘的轨迹为一椭圆的光，称为椭圆偏振光。椭圆运动也可看成是两个相互垂直的简谐振动的合成，只是它们的振幅不等，或位相差不等于±π/2。而分量可写成

Ex = Acosωt

Ey = Acos(ωt±δ) δ为位相差

如果迎着椭圆偏振光的传播方向放一偏振片，并旋转其透光方向以观察透射光强的变化，我们会发现其光强变化特点类似部分偏振光，即强度每转90o也交替出现极大和极小，但无消光位置。

3 反射、折射光的偏振特性

自然光入射到折射率两种介质的界面上时，反射光和折射光都是部分偏振光。特别是当以布儒斯特角入射时，反射光为线偏振光，其振动面垂直于入射面。因此，可以利用自然光以布儒斯特角入射到电介质表面（如玻璃等）产生线偏振光，可以利用平行玻璃片堆同时获得反射和透射的线偏振光。入射光在空气与介质界面的反射、折射光路图示如下：

根据麦克斯韦的电磁理论和边值条件，我们可以推导如下关系：

E’P = tan(I1-I2) EP/tan(I1+I2)

E’S = sin(I1-I2)ES/sin(I1+I2)

其中 E’P为偏振面平行于入射面的反射光电矢量，EP为偏振面平行于入射面的入射光电矢量，

E’S为偏振面垂直于入射面的反射光电矢量，E S为偏振面垂直于入射面的入射光电矢量。

分析上式我们发现，由于tan90=∞，E’P可能为0，即在I1+I2=90时，反射光中可能不含平行分量，不管入射光是什么状态，反射光都是线偏振光。

由折射定律： sin I1 = n sin I2 和I1+I2=90

得到tan I1= n 时，反射光是线偏振光。这就是布儒斯特定律，此时的入射角I1我们称为布儒斯特角，它的大小由材料的折射率决定。

4 双折射及波片

具有双折射现象的材料有这样一种光学特性：及当一束光进入这种材料时可能会分成两束，这两束光的传播方向、振动方向和速度将有所不同，一束符合我们所知道的折射定律，如垂直入射时光束方向不变，但另一束却不符合这个规律。我们分别将这两束光称为O光和E光，对应的折射率分别为no和ne。在这种晶体中还存在一个特定的方向，当光从这个方向上进入材料时不会分成两束，符合一般的折射定律，这个特殊的方向就是材料的光轴方向。

波片是一种将具有双折射现象的材料（如方解石晶体，石英晶体等）按一定技术要求加工而成的光学元件。波片在加工时，使通光表面平行于光轴，即入射光将垂直于光轴进入波片。

现在假设一束线偏振光以偏振方向同波片光轴成θ角的状态垂直入射于波片。这时会发生一种比较特殊的双折射现象，即O光和E光传播方向相同，但传播速度不同，或者说o光和e光在波片中的折射率不同，透过波片之后两者之间产生一定的位相差。波片产生的位相差和光程差分别为

Δφ=2π(no ne) d /λ， δ=(no ne)d，

d为波片的厚度，no、ne分别为波片对o光和e光的折射率。对于某一波长，选择不同的厚度可得到不同的波片：

δ=±(2k+1) λ/2时， 为λ/ 2波片，

δ=±(2k+1) λ/4时， 为λ/ 4波片， oo o

δ=±kλ (k≠0)时， 为全波片。

5 偏振光的产生和检验

5.1 偏振光的获得

自然界的大多数光源所发出的是自然光。为了从自然光得到各种偏振光，需要采用偏振器件。偏振

片、玻片堆和尼科耳棱镜等都可以用作起偏器，自然光通过这些起偏器后就变成了线偏振光。偏振片常用具二向色性的晶体制成，这些晶体对不同方向的电磁振动具有选择吸收的性质，当光线射在晶体的表面上时，振动的电矢量与光轴平行时吸收得较少，光可以较多地通过；电矢量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得很少。通常的偏振片是在拉伸了的塞璐璐基片上蒸镀一层硫酸碘奎宁的晶粒，基片的应力可以使晶粒的光轴定向排列起来，这样可得到面积很大的偏振片。

为了得到椭圆偏振光，使自然光通过一个起偏器和一个波片即可。由起偏器出射偏振光正入射到

波片中去时，只要其振动方向不与波片的光轴平行或垂直，就会分解成0光和e光，穿过波片时在它们之间就有一定的附加相位差δ。射出波片之后，传播方向相同的这两束光的速度恢复到一样，它们在一起一般是合成椭圆偏振光。只有当这两面束光之间的相位差等于±π/2，且振幅相同时，才有可能得到圆偏振光。

换言之，令一束线偏振光垂直通过一波片，一般我们得到一束椭圆偏振光；只有通过1/4波片，且波片的光轴与入射光的振动面成对45°角时，我们才能得到一束圆偏振光。

5.2偏振光的检验

假定入射光有以下五种可能性，即自然光，部分偏光，线偏振光，圆偏振光和椭圆偏振光。检验偏振光的方法是:

第一步，利用一块偏振片或其它检偏器，在旋转一周时透过检偏器的光强不变，则可以断定入射光

是自然光或圆偏振光；否则就是部分偏振光或椭圆偏振光。

第二步, 为了鉴别自然光和圆偏振光。可以令入射光依次通过1/4波片和偏振片，圆偏振光经波片

后变成了线偏振光，于是通过转动偏振片有无消光现象而鉴别出来。为了鉴别部分偏振光的和椭圆偏振光，则必须设法让1/4波片的光轴与椭圆主轴平行，只有这样才能使椭圆偏振光经过波片后变成为线偏振光而将它鉴别出来。

6 偏振光的干涉

6.1 偏振光的干涉现象

线偏振光垂直通过波片时，按其振动方向（或振动面）分解成o光和e光，它们具有相同的振动频率，以恒定的相位差在同一方向上传播。只要设法将它们的振动方向引到同一方向上来，就能满足相干条件，从而实现偏振光的干涉，与分波前干涉和分振幅干涉相比，它是分振动面干涉，波片是分振动面元件。将波片置于两偏振片间，可以观察到以下各种干涉现象：

1. 当波片厚度均匀，用单色光源时，转动任一元件，屏上的光强会发生变化。用白光源时屏上出现彩色图样，并随元件转动颜色发生变化。

2. 当波片不均匀，用单色光源时屏上出现干涉图样；用白色光源屏上出现彩色图样。

3. 当波片用透明塑料代替时，对塑料加应力后屏上会出现随应力大小变化的明暗或彩色干涉图样。

6.2 光弹效应和电光效应

1. 光弹效应

在内应力或外来的机械应力作用下，可以使透明的各向同性的介质（例如玻璃和塑料等）变为各向异性的，从而使光产生双折射，这种现象称为光弹效应。在这种应力作用下的透明介质中，（no-ne）与应力的分布有关。因此，如果这种透明介质做成片状，插在两偏振片之间，不同地点因（no-ne）不同会引起o光和e间不同的相位差δ，屏幕上将呈现出反映这种差别的干涉图样。应力越集中地方，各向异性越强，干涉条纹越细密。在白光照射下，则显示出彩色的干涉图样。

2. 电光效应

在外加电场的作用下，也可以使用某些各向同性的透明介质变为各向异性的，从而使光产生双折射，这种现象称为电光效应。

一种电光效应称为克尔效应，是克尔（J.Kerr,1824-1970）在1875年发现的。在外加强电场的作用下，介质分子作定向排列而呈现出各向异性，其光学性质与单轴晶体类似；外电场一旦撤除，这种各向异性立即消失。

1893年，泡克耳斯（Pockels,1865-1913）对某些晶体在电场作用下产生的线性电光效应，进行了广泛的研究。现在，人们常把这种电光效应称为泡克耳斯效应。在具有这种效应的晶体中，最典型的是磷酸二氢钾（KH2PO4）晶体，简称KDP晶体。这种晶体在自由状态下是单轴晶体，但 …… 此处隐藏：2713字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……