線偏振光的產(chǎn)生與衍射

線偏振光的產(chǎn)生與衍射

1偏振光采集1.1空氣入射方向上偏振光的特點(diǎn)1812年，布萊斯特發(fā)現(xiàn)了一個(gè)特定的角度，當(dāng)入射角等于一個(gè)特定角時(shí)，僅垂直于入射面的振動(dòng)，而平行入射面的振動(dòng)為零。此時(shí)，反射光為地球一代的振動(dòng)，如圖1所示。這個(gè)特定的入射角稱(chēng)為起偏振角,又稱(chēng)布儒斯特角,以iB表示,其值為iB=arctann2n1iB=arctann2n1,該式稱(chēng)為布儒斯特定律。當(dāng)自然光由空氣入射到玻璃板(n2=1.50)時(shí),iB=56.3°;反之,由玻璃射向空氣時(shí),i′B=33.7°。1.2偏振光的測(cè)定當(dāng)自然光以布儒斯特角入射時(shí),反射光中只有垂直于入射面的光振動(dòng),入射光中平行于入射面的光振動(dòng)全部被折射,折射光為部分偏振光。如果把許多玻璃片相互平行地疊在一起,構(gòu)成一玻璃片堆,如圖2所示,自然光以布儒斯特角入射玻璃片堆時(shí),光在各層玻璃面上反射和折射,經(jīng)多次反射除去了垂直于入射面的光振動(dòng),可使最后透射出來(lái)的幾乎完全是平行于入射面的光振動(dòng),即線偏振光。1.3zns/2.3和冰晶石的交替鍍改性多層膜直角起偏分束鏡是一種典型的薄膜干涉起偏器。如圖3所示,這種起偏器是在兩個(gè)直角玻璃棱鏡(n3=1.55)的斜面上交替鍍以高折射率的ZnS(n2≈2.3)和低折射率的冰晶石(n1≈1.25),兩部分膠合成立方體。自然光以45°角入射到多層膜堆上,光束在薄膜內(nèi)發(fā)生多次反射并干涉(在各膜層中中心波長(zhǎng)光線均以布魯斯特角入射,這在膜系設(shè)計(jì)中應(yīng)以保證),經(jīng)膜片堆起偏后,兩線偏振光分量沿正交方向輸出。1.4線柵偏光鏡的工作原理線柵起偏器中最簡(jiǎn)單的平行導(dǎo)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(dāng)非偏振光入射其上時(shí),電矢量沿導(dǎo)線方向的光波會(huì)被線柵吸收,而電矢量垂直于線柵的光分量則能透過(guò),因而線柵透射光的電振動(dòng)矢量與柵格是垂直的。線柵偏光鏡制造工藝是蒸發(fā)一束金原子或鋁原子,以近掠入射角射到一個(gè)以硫化鋅或硒化鋅為基底的閃耀光柵上,此時(shí)金屬積聚在光柵的每—個(gè)臺(tái)階的邊緣形成極細(xì)的“導(dǎo)線”,如圖4所示,它們的間隔d小于一個(gè)波長(zhǎng)。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(yīng)很微弱,并且與波長(zhǎng)有密切關(guān)系;而小階梯光柵可產(chǎn)生明顯的線偏振光。1.5散射型人造偏振片的特點(diǎn)如圖5所示,由光源S射出的自然光通過(guò)盛水的器皿M,如果水經(jīng)過(guò)仔細(xì)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(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的散射,從各個(gè)方向看,光束都是明顯可見(jiàn)的,在與入射光垂直的方向用檢偏器P進(jìn)行觀察,可以發(fā)現(xiàn)散射光是偏振的。電場(chǎng)的振動(dòng)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(qiáng)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(dāng)自然光透過(guò)第一玻片進(jìn)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(wú)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。1.6從二向色度獲得的角色光譜激發(fā)(1)向色晶體法如果某種物質(zhì)有選擇地吸收通過(guò)它的某一偏振方向的光波,這種物質(zhì)可認(rèn)為是光學(xué)二向色的(或稱(chēng)雙色性物質(zhì)),許多礦物和有機(jī)化合物都具有二向色性。對(duì)于o光和e光有不同吸收作用的晶體稱(chēng)為二向色晶體。例如,電氣石能強(qiáng)烈吸收o光而很少吸收e光。因此自然光通過(guò)二向色晶體后,出射光是線偏振光。(2)在玻璃板上的應(yīng)用在激光問(wèn)世以前,二向色偏振器是應(yīng)用最廣的一類(lèi)偏光器件,除最早認(rèn)識(shí)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(jìn)行工藝加工,使針狀晶粒都相互平行,當(dāng)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(duì)某一方向的光矢量有強(qiáng)烈的吸收,而對(duì)相對(duì)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?，F(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(chēng)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(jiàn)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(dǎo)率和光學(xué)性質(zhì)兩方面均有很強(qiáng)的各向異性,所以也可用熱解石墨來(lái)制作二向色起偏器。1.7從晶體的雙折射來(lái)看，產(chǎn)生的線偏激發(fā)光(1)折射總光的概念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(chēng)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(chēng)為尋常光,簡(jiǎn)稱(chēng)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(duì)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(chēng)為非常光,簡(jiǎn)稱(chēng)e光。o光和e光都是線偏振光,o光的振動(dòng)方向垂直于它對(duì)應(yīng)的主平面(晶體的光軸和光線所組成的平面),e光的振動(dòng)方向平行于它所對(duì)應(yīng)的主平面。在大多數(shù)情況下,這兩個(gè)主平面之間的夾角很小。因而o光和e光的振動(dòng)方向可以認(rèn)為是互相垂直的。(2)尼科耳瞳的加量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(shù)膠粘合成一個(gè)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(shù)膠的折射率(n=1.55)介于方解石對(duì)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(shù)膠層時(shí),發(fā)生全反射,由涂黑的側(cè)面吸收,而e光透過(guò)樹(shù)膠層并穿過(guò)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(jìn)型,將一塊方解石加工成直角長(zhǎng)方體,再切成兩個(gè)楔塊,然后粘合起來(lái),這樣得到的出射光與入射光在一直線上。格蘭型設(shè)計(jì)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(chēng)為格蘭-湯姆孫棱鏡;光軸與切面法線共面的膠合型結(jié)構(gòu)稱(chēng)為李普奇棱鏡。有空氣隙的湯姆孫型結(jié)構(gòu)稱(chēng)格蘭-傅科棱鏡;有空氣隙的李普奇型設(shè)計(jì)稱(chēng)格蘭-泰勒棱鏡。(3)雙方解石用光柵渥拉斯特棱鏡和洛匈棱鏡都是由光軸垂直的兩塊方解石直角棱鏡粘合而成,如圖11所示,利用這兩種棱鏡可獲得分得很開(kāi)的線偏振光,它們是很好的偏振光分束元件。2兩光束透過(guò)晶片并進(jìn)行有效振動(dòng)線偏振光垂直入射于雙折射晶片,晶片的光軸平行于晶面,如入射偏振光的振動(dòng)方向與晶片光軸之間的夾角為α,如圖12所示,則偏振光射入晶片后,將分成振動(dòng)互相互直的o光和e光,但振幅不同。這兩束光沿同一方向傳播,具有不同的速率,因此兩光束透過(guò)晶片后,兩者間有一定的相位差:Δφ=2πλ0(no?ne)dΔφ=2πλ0(no-ne)d,式中d為晶片的厚度,no和ne分別為晶片對(duì)o光與e光的主折射率,λ0為入射單色光在真空中的波長(zhǎng)。如果晶片的厚度使Δφ≠kπ,那么透過(guò)晶片的這兩束光振動(dòng)方向相互垂直而相位差一定,疊加后就形成橢圓偏振光(橢圓主軸與光軸夾一角度)。當(dāng)晶片的厚度d使o光和e光的相位差為Δφ=(2k+1)π/2或d=2k+1no?neλ04?(k=