偏振光及其应用

偏振光及其应用

制作人：李大军

１９世纪处，初步发展起来的波动光学体系已经形成，此后，光学的波动理论也逐步趋于成熟．光的干涉和衍射现象也在实验上强有力地揭示了光的波动性．但光到底是横波还是纵波呢？１８０８年马吕斯偶然发现了光在两种介质面上反射时的辩证现象，后经菲涅耳，阿拉果以及杨氏等人的研究，光的偏振现象成为判断光是横波的最有力的实验依据．一、偏振现象及光的可能偏振状态二、自然光三、线偏振光及部分偏振光四、椭圆偏振光及圆偏振光五、各种偏振状态的光的鉴别六、偏振光的应用偏振光及可能的偏振状态一：纵波与横波的区别

1：纵波：波的振动方向和波的传播方向相同，波的振动对波的传播方向具有对称性。

2：横波：波的振动方向和波的传播方向相互垂直，波的振动对传播方向没有对称性。二：偏振现象：波的振动方向对于波的传播方向的不对称性。它是横波区别于纵波的一个最明显的标志，也只有横波才有偏振现象。三：光的偏振：光波是电磁波，光波中的电矢量和磁矢量都与传播速度（既传播方向）垂直。

对于人眼来说或感光一仪器来说起作用的是电场强度,所以我们所说的光波振动矢量通常指的是电场强度.根据光的传播场点上电矢量的分布不同,光的偏振状态有可能的五种:自然光,线偏振光,部分偏振光,椭圆及圆偏振光.下边我们就将各种偏振光做一简单的介绍,从其定义及如何获得着手,最后介绍以下这五种偏振光的鉴别.自然光

普通光源发出的光(除激光外)一般都是自然光.这种普通光源所发出的光波,在光的传播方向上的任意一个场点，电矢量既有空间分布的均匀性，又有时间分布的均匀性。（图1）表示沿Z轴传播的自然光。

图1xyz另外，自然光也是有轴对称分布，无固定相位关系的大量线偏振光集合而成。线偏振光及部分偏振光：线偏振光：光在传播过程中电矢量的振动只限于某一确定的平面内，也称平面偏振光。图2-b图2-a图2-a表示电矢量垂直于图面的线偏振光，即振动面垂直于图面。图2-b表示电矢量图面内的线偏振光，即振动面平行于图面。二、线偏振光的获得

1、相位相同，振动方向相互垂直的两列波的叠加可得到线偏振光。

两列光沿Z轴方向传播，线偏振光的电矢量为：

分别为沿X、Y轴的单位矢量。2、起偏器：能以某种方式选择自然光中的一束线偏振光，而摒弃另一偏振光的光学元件．自然光经过起偏器后可一转化成线偏振光。3、由二向色性产生的线偏振光

二向色性指的是对振动方向不同的电矢量具有选择吸收的性质。最早使用的是天然具有二向色性的晶体，例如电气石。广泛使用的二向色性片是一种透明的聚乙烯醇片，通过加热和延伸，使得它的长链分子在特定的方向上排列的很好，然后将该片用碘溶液浸染，碘原子依次沿聚乙烯醇分子的直线排列起来，与碘相联系的导电电子就能顺着长链分子上下循环流动。含有这种平行地排列起来的长链聚合物分子的薄膜叫做偏振片。

当一束自然光射到偏振片上时，由于碘原子提供的高传导性，相互平行地排列来来的长链分子吸收平行于链长方向的电场分量，而与它垂直的电场分量则几乎不受影响，结果投射光成为线偏振光。4、反射光的偏振态当一束自然光在两种介质的界面上反射和折射时,自然光的电矢量可以分解为平行于入射面的分量和垂直于入射面的分量。由菲涅耳公式可知，电矢量的平行分量和垂直分量的振幅比分别为：将这两式结合起来，不考虑方向，有：（1）讨论：I：在=0或=的两种情况下，可得

因为，因此，

即反射光中电矢量的平行分量值和垂直分量值相等，而这两个分量是不相干的，合成后的光仍是自然光。Ⅱ：当光除=0及=外的任何角度入射时，都有：由（1）式得：表明反射光中电矢量的分量的平行位置值总是小于电矢量的垂直分量值。这两个分量的方向不同，振幅大小不等的大量偏振光的电矢量在这两个方向上投影的矢量和，因此这两个分量仍然是不相干的，不能合成一个矢量，具有这种特点的光叫做部分偏振光。部分偏振光的图形表示见（图3-a、图3-b）

图3-a图3-b由菲涅耳公式可知，只要使

图4-a表示平行图面的电矢量较弱的那种部分偏振光。图4-b表示在垂直于图面的电矢量较强的那种部分偏振光。Ⅲ：见图4。图4

电矢量的平行矢量就完全不能反射，反射光中只剩下垂直于入射面的分量。这样，反射光就成了线偏振光。若分别为入射光束和折射光束所在的就介质的折射率，则有：此关系式称为布儒斯特定律，入射角称为布儒斯特角。5：投射光的偏振态

见图5

图5Ⅰ：自然光以任意入射角入射时，折射出来的投射光总是部分偏振光。Ⅱ：当自然光以布儒斯特角入射时：a：电矢量平行分量的振幅式中右上角“（1）”表示折射一次（下表示折射两次）。由于上式可化简为：（2）光经第二次折射由于得：（3）

将（2）式代入（3）式，得：证明当光以布儒斯特角入射到一片透明介质时，在没有吸收的情况下，入射光中电矢量的平行矢量100%透过。

b：入射光中垂直分量的振幅由菲涅耳公式有：光经第二次折射，有（4）（5）（3-1）将（4）式代于（5）有:由（6）式说明自然光垂直分量是部分透过。

综上所述，即使以布儒斯特角入射，从一片介质投射出来的的光仍是部分偏振光。为了通过折射获取偏振光，我们可以将自然光以布儒斯特角入射到透明堆上，所得投射光几乎是线偏振光。当一束自然光以布儒斯特角射入n片互相平行透明介质板后，折射光连续经过2n次折射，在投射光中