偏振光及其應(yīng)用

制作人：李大軍

１９世紀(jì)處，初步發(fā)展起來的波動光學(xué)體系已經(jīng)形成，此后，光學(xué)的波動理論也逐步趨于成熟．光的干涉和衍射現(xiàn)象也在實(shí)驗(yàn)上強(qiáng)有力地揭示了光的波動性．但光到底是橫波還是縱波呢？１８０８年馬呂斯偶然發(fā)現(xiàn)了光在兩種介質(zhì)面上反射時(shí)的辯證現(xiàn)象，后經(jīng)菲涅耳，阿拉果以及楊氏等人的研究，光的偏振現(xiàn)象成為判斷光是橫波的最有力的實(shí)驗(yàn)依據(jù)．一、偏振現(xiàn)象及光的可能偏振狀態(tài)二、自然光三、線偏振光及部分偏振光四、橢圓偏振光及圓偏振光五、各種偏振狀態(tài)的光的鑒別六、偏振光的應(yīng)用偏振光及可能的偏振狀態(tài)一：縱波與橫波的區(qū)別

1：縱波：波的振動方向和波的傳播方向相同，波的振動對波的傳播方向具有對稱性。

2：橫波：波的振動方向和波的傳播方向相互垂直，波的振動對傳播方向沒有對稱性。二：偏振現(xiàn)象：波的振動方向?qū)τ诓ǖ膫鞑シ较虻牟粚ΨQ性。它是橫波區(qū)別于縱波的一個(gè)最明顯的標(biāo)志，也只有橫波才有偏振現(xiàn)象。三：光的偏振：光波是電磁波，光波中的電矢量和磁矢量都與傳播速度（既傳播方向）垂直。

對于人眼來說或感光一儀器來說起作用的是電場強(qiáng)度,所以我們所說的光波振動矢量通常指的是電場強(qiáng)度.根據(jù)光的傳播場點(diǎn)上電矢量的分布不同,光的偏振狀態(tài)有可能的五種:自然光,線偏振光,部分偏振光,橢圓及圓偏振光.下邊我們就將各種偏振光做一簡單的介紹,從其定義及如何獲得著手,最后介紹以下這五種偏振光的鑒別.自然光

普通光源發(fā)出的光(除激光外)一般都是自然光.這種普通光源所發(fā)出的光波,在光的傳播方向上的任意一個(gè)場點(diǎn)，電矢量既有空間分布的均勻性，又有時(shí)間分布的均勻性。（圖1）表示沿Z軸傳播的自然光。

圖1xyz另外，自然光也是有軸對稱分布，無固定相位關(guān)系的大量線偏振光集合而成。線偏振光及部分偏振光：線偏振光：光在傳播過程中電矢量的振動只限于某一確定的平面內(nèi)，也稱平面偏振光。圖2-b圖2-a圖2-a表示電矢量垂直于圖面的線偏振光，即振動面垂直于圖面。圖2-b表示電矢量圖面內(nèi)的線偏振光，即振動面平行于圖面。二、線偏振光的獲得

1、相位相同，振動方向相互垂直的兩列波的疊加可得到線偏振光。

兩列光沿Z軸方向傳播，線偏振光的電矢量為：

分別為沿X、Y軸的單位矢量。2、起偏器：能以某種方式選擇自然光中的一束線偏振光，而摒棄另一偏振光的光學(xué)元件．自然光經(jīng)過起偏器后可一轉(zhuǎn)化成線偏振光。3、由二向色性產(chǎn)生的線偏振光

二向色性指的是對振動方向不同的電矢量具有選擇吸收的性質(zhì)。最早使用的是天然具有二向色性的晶體，例如電氣石。廣泛使用的二向色性片是一種透明的聚乙烯醇片，通過加熱和延伸，使得它的長鏈分子在特定的方向上排列的很好，然后將該片用碘溶液浸染，碘原子依次沿聚乙烯醇分子的直線排列起來，與碘相聯(lián)系的導(dǎo)電電子就能順著長鏈分子上下循環(huán)流動。含有這種平行地排列起來的長鏈聚合物分子的薄膜叫做偏振片。

當(dāng)一束自然光射到偏振片上時(shí)，由于碘原子提供的高傳導(dǎo)性，相互平行地排列來來的長鏈分子吸收平行于鏈長方向的電場分量，而與它垂直的電場分量則幾乎不受影響，結(jié)果投射光成為線偏振光。4、反射光的偏振態(tài)當(dāng)一束自然光在兩種介質(zhì)的界面上反射和折射時(shí),自然光的電矢量可以分解為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，電矢量的平行分量和垂直分量的振幅比分別為：將這兩式結(jié)合起來，不考慮方向，有：（1）討論：I：在=0或=的兩種情況下，可得

因?yàn)?，因此?/p>

即反射光中電矢量的平行分量值和垂直分量值相等，而這兩個(gè)分量是不相干的，合成后的光仍是自然光。Ⅱ：當(dāng)光除=0及=外的任何角度入射時(shí)，都有：由（1）式得：表明反射光中電矢量的分量的平行位置值總是小于電矢量的垂直分量值。這兩個(gè)分量的方向不同，振幅大小不等的大量偏振光的電矢量在這兩個(gè)方向上投影的矢量和，因此這兩個(gè)分量仍然是不相干的，不能合成一個(gè)矢量，具有這種特點(diǎn)的光叫做部分偏振光。部分偏振光的圖形表示見（圖3-a、圖3-b）

圖3-a圖3-b由菲涅耳公式可知，只要使

圖4-a表示平行圖面的電矢量較弱的那種部分偏振光。圖4-b表示在垂直于圖面的電矢量較強(qiáng)的那種部分偏振光。Ⅲ：見圖4。圖4

電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。這樣，反射光就成了線偏振光。若分別為入射光束和折射光束所在的就介質(zhì)的折射率，則有：此關(guān)系式稱為布儒斯特定律，入射角稱為布儒斯特角。5：投射光的偏振態(tài)

見圖5

圖5Ⅰ：自然光以任意入射角入射時(shí)，折射出來的投射光總是部分偏振光。Ⅱ：當(dāng)自然光以布儒斯特角入射時(shí)：a：電矢量平行分量的振幅式中右上角“（1）”表示折射一次（下表示折射兩次）。由于上式可化簡為：（2）光經(jīng)第二次折射由于得：（3）

將（2）式代入（3）式，得：證明當(dāng)光以布儒斯特角入射到一片透明介質(zhì)時(shí)，在沒有吸收的情況下，入射光中電矢量的平行矢量100%透過。

b：入射光中垂直分量的振幅由菲涅耳公式有：光經(jīng)第二次折射，有（4）（5）（3-1）將（4）式代于（5）有:由（6）式說明自然光垂直分量是部分透過。

綜上所述，即使以布儒斯特角入射，從一片介質(zhì)投射出來的的光仍是部分偏振光。為了通過折射獲取偏振光，我們可以將自然光以布儒斯特角入射到透明堆上，所得投射光幾乎是線偏振光。當(dāng)一束自然光以布儒斯特角射入n片互相平行透明介質(zhì)板后，折射光連續(xù)經(jīng)過2n次折射，在投射光中