偏振與波片

波片

光與物質(zhì)中的原子或分子的相互作用與光的波長有關(guān)。這種相關(guān)性的一個體現(xiàn)是共振作用,，可以通過物質(zhì)的色散方程描述,。另一個體現(xiàn)是這種共振作用可以產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，也就是物質(zhì)的折射率隨光的偏振方向發(fā)生改變,。在某些晶體中,，原子的規(guī)則排列會導(dǎo)致在不同方向上振動的電矢量具有不同的共振頻率。產(chǎn)生的一個結(jié)果是，不同偏振方向的光具有不同的折射率,。與物質(zhì)的色散不同,，雙折射比較容易避免，例如采用非晶的材料如玻璃,，或者采用具有簡單對稱晶格結(jié)構(gòu)的晶體,，如氯化鈉或砷化鎵。另一方面,，我們也可以利用雙折射的性質(zhì)來改變或調(diào)制光的偏振態(tài),。這種光學(xué)元件通常被稱之為雙折射波片，或簡稱為波片,。沿雙折射晶體的光軸方向截取一個薄片,，當(dāng)一束光入射到薄片上時，在兩個相互垂直的偏振方向上,，光將展現(xiàn)出不同的折射率,。相應(yīng)地，光的傳播速度也不同,，分別對應(yīng)于快軸和慢軸,。圖1所示為一束入射光的偏振方向和晶片的快軸方向平行,，它在晶片內(nèi)具有大的相位速度,。而沿與之正交的慢軸方向偏振的光，具有大的折射率以及小的相位速度,。如圖2所示,。

圖1

圖2

光在物質(zhì)中的傳播常數(shù)k=2πfn/c，表示光傳播單位距離后的相位改變,。其中f是光的頻率,，n是物質(zhì)的折射率，c是真空中的光速,。當(dāng)光傳輸距離L時,，經(jīng)歷的相位改變可寫為φ =2πfnL/c。因此,，圖1中沿快軸方向偏振的光經(jīng)過晶片后的相位變化是φ_fast= 2πfn_fastL/c,；圖2中沿晶片慢軸方向偏振的光的相位變化為φ_slow= 2πfn_slowL/c。兩者的差被稱之為相位延遲,，Γ= 2πf(n_slow - n_fast)L/c,。Γ的單位是弧度，但更多以波的周期來表示,。例如,， Γ= 2π對應(yīng)全波波片，Γ= π對應(yīng)半波片，Γ=π/2對應(yīng)四分之一（1/4）波片,，等等,。圖1和2中，光分別沿晶片的快軸和慢軸方向偏振,，穿過晶片后產(chǎn)生的相位延遲為(1+1/3)波長,，波長的整數(shù)倍通常不做考慮，因此這個晶片等同于一個1/3波片,。

半波片

現(xiàn)實中常用的波片是半波片(Γ = π)和1/4波片(Γ = π/2),。半波片常用來旋轉(zhuǎn)線偏振光的偏振方向。

圖3

圖3所示,，假定有一束線偏振光垂直入射到半波片上,，偏振方向與波片的快軸成夾角θ。首先,，我們把入射的光按偏振方向沿波片的快軸和慢軸方向進(jìn)行分解,。光在傳播過程中，沿快軸和慢軸的偏振部分經(jīng)歷不同的折射率和相位延遲,。在穿過某個特定厚度后,，二者相位差達(dá)到π，也就是半個周期,。當(dāng)沿快軸偏振的光在經(jīng)歷波長的整數(shù)倍后再次達(dá)到向上大,，而沿慢軸偏振的光因相位延遲，電矢量則指向相反方向,。二者合并后的終效果是,，光的偏振方向相對于入射時旋轉(zhuǎn)了2θ。

半波片經(jīng)常用來旋轉(zhuǎn)激光的偏振方向,，尤其是當(dāng)激光器比較大,，本身不易被旋轉(zhuǎn)時。例如大部分大型的離子激光器的出射都是垂直偏振的,。如果希望得到水平偏振,，只需要使用一個半波片，并使它的快軸或慢軸與垂直方向成45°夾角放置即可,。如果您的半波片沒有標(biāo)明軸向或者標(biāo)記被擋住,，可通過如下方法確定：首先在光路中放置一個偏振器，旋轉(zhuǎn)它以*屏蔽入射激光,，表示偏振器的偏振方向是水平的,。然后把半波片放置在偏振器前面，保證垂直入射,。旋轉(zhuǎn)半波片使光再次被偏振器屏蔽,。這時波片的快軸或慢軸方向與入射激光的偏振方向重合,，從而不對它產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)作用。之后把半波片朝任一方向旋轉(zhuǎn)45°,，入射激光的偏振會相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)90°,，得到水平偏振?？梢园哑衿鞯钠穹较蛘{(diào)到垂直,，看是否可以屏蔽激光，以驗證其水平偏振,。若希望旋轉(zhuǎn)激光的偏振方向到其他任意角度,，只需把波片旋轉(zhuǎn)這個角度的一半就可以了。兩款比較方便的波片固定支架請參見我們的RSP-1T 或 GM-1RA產(chǎn)品,。

1/4波片

1/4波片通常用來把線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光,，或者反之。要實現(xiàn)這個目的,，需要使入射光的偏振方向同波片的軸向成45°夾角,，從而使其沿波片的快軸和慢軸方向的分量相同，如圖4所示,。

圖4

調(diào)節(jié)1/4波片的過程與上面描述的半波片的調(diào)節(jié)過程類似：首先,，在光路中放入一個偏振器，旋轉(zhuǎn)它以屏蔽入射光,，從而確定入射光的偏振方向,。然后，在偏振器前放入1/4波片,，保持光的垂直入射,。旋轉(zhuǎn)波片,，并再次時光被偏振器屏蔽,。然后，朝任一方向旋轉(zhuǎn)波片45°,，得到圓偏振光,。這時穿過偏振器的光強(qiáng)應(yīng)該只有入射時的一半，而另一半則被反射或吸收,?？梢酝ㄟ^如下方法判斷圓偏振光的質(zhì)量：當(dāng)旋轉(zhuǎn)偏振器時，穿過的光強(qiáng)應(yīng)該始終保持不變,。若光強(qiáng)發(fā)生改變,，說明使用的波片在該波長上并不是嚴(yán)格的1/4波片，得到的光具有橢圓偏振,?？梢允共ㄆ鄬獾娜肷浞较蛏晕A斜,，轉(zhuǎn)動偏振器并檢測通過的光強(qiáng)是否穩(wěn)定。重復(fù)這個步驟可能會找到合適的入射角度,，補(bǔ)償波片延遲的偏差,。

圖5

您或許想知道除半波片和1/4波片之外的其他波片對光的偏振性有何影響。圖5所示的是一束線偏振光在經(jīng)過具有不同相位延遲的波片后的偏振態(tài)改變,，入射光的偏振方向與波片的軸向成任意夾角,。當(dāng)光穿過半波片（相位延遲π）時，偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn),，并保持線偏振性,。當(dāng)相位延遲是2π或其整數(shù)倍時，光的偏振不發(fā)生任何改變,。穿過其他相位延遲的波片均產(chǎn)生不同取向的橢圓偏振光,。請注意，這里1/4波片（相位延遲π/2及3π/2）并沒有產(chǎn)生圓偏振光,，因為入射光與波片軸向成任意夾角,，造成光在波片的快軸和慢軸上的分量不同。要產(chǎn)生圓偏振光,，入射光的偏振方向須和1/4波片的軸向準(zhǔn)確成 45°夾角,。

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