椭圆偏振光椭圆度的测定
(物理光学)第十五章_光的偏振和晶体光学基础-5
O
1 2 cos , sin 2 2 G＝ 1 sin 2 , sin 2 2
检偏器透光轴与x’轴夹角 是，其琼斯矩阵为：
1 2 1 2 cos , sin 2 A cos A sin 2 2 A1 1 2 2 E出 GE入＝ A iA 1 2 sin 2 , sin 2 2 1 sin 2 iA2 sin 2 2
2、偏振分光镜与/4片组合
Io/4
Io Io/2 普通分光镜
Io/2 Io Io Io 偏振分光镜
稳频He-Ne激光 (He-Ne laser)
压电晶体(Piezoelectric crystal)
/2片
/4片
被检面
偏振分光 棱镜 prism
检偏器
TV相机
非球面测定用干涉仪
itg
2 1
结论：
1）从1/4波片出射的是线偏光。出射线偏光的光矢量 与x轴的夹角=/2。
2）旋转检偏器可测得，故可求，即求得了待测玻璃的 双折射率之差，从而分析了玻璃内部的应力情况 。
二、会聚(Convergence)偏光仪的干涉
P
C
A
会聚偏光仪干涉装置
透过厚度为d的晶片时两束出射光之间的相位差：
半影式检偏器工作原理 原理
结构： P H A
y
P1
O H1
’ ’
H2 P2 A
x
2 2 I1＝OH1 sin ( ' ) 2 2 I 2＝OH 2 sin ( ' )
2、椭圆偏振光的测定 含义：用实验方法测定表示偏振状态的参量（指 定坐标系中的方位角、椭圆度tg和旋向；或直角 坐标系下两偏振光振幅比和位相差。） y y’ C2 A2 x’
椭圆偏振光椭圆形状的测定
椭圆偏振光椭圆形状的测定
随着科技的发展，椭圆偏振光椭圆形状的测定已成为当今科技领域中的重要研究方向之一。
它可用于传感器、激光器、光学元件的研究和开发，以及太空技术、望远镜、显微镜等光学仪器的制造。
因此，研究如何准确测量椭圆偏振光椭圆形状对科技发展至关重要。
椭圆偏振光椭圆形状的测定是一项复杂的任务，它需要精确地测量光的路径，以确定椭圆椭圆形状的参数。
为此，研究人员通常使用三维结构光测量技术，它可以以千分之一的精度来测量偏振椭圆形状。
三维结构光测量技术主要是使用一种特殊的膜结构将偏振光线
测量分解为两个不同的光斑，然后测量这两个光斑之间的距离，以及着色体的位置和方向。
有了这些观测数据，研究人员就可以计算出椭圆形状的准确参数。
目前，研究人员已经取得了显著的进步，使用三维结构光测量技术能够工作在极端环境下，如高压、低温的环境中，以及极端的光源强度等条件下。
同时，针对椭圆形状参数测量的精度也有所提高，不仅能够测得椭圆形状的准确参数，而且还可以测量出典型的宏观结构几何元素，例如椭球椭圆形状参数和结构元素的有限元几何形状参数。
此外，为了进一步提高椭圆形状测量的精度，研究者还开发了其他方法，如Laplacian偏振椭圆形状测量技术和光可调谐等，它们都可以极大提高椭圆形状测量的精度。
综上所述，椭圆偏振光椭圆形状的测定是一项复杂的任务，但研究人员已经通过开发各种新技术，如三维结构光测量技术、Laplacian
偏振椭圆形状测量技术和光可调谐等，大大提高了测量椭圆形状参数的准确性和精度。
它们将为未来的技术研究和开发提供重要依据。
椭圆偏振光椭圆形状的测定
椭圆偏振光椭圆形状的测定
椭圆偏振光椭圆形状的测定可以通过使用椭圆偏振仪或正交线偏振器进行测量。
如果采用正交线偏振器，可以用调制器将偏振光线调制到椭圆偏振状态，然后使用偏振光纤收集调制后的偏振光，并将其传输到偏振分析仪，以测量椭圆偏振状态。
另一种方法是使用椭圆偏振仪，它可以生成椭圆偏振光，将其传输到需要测量的椭圆偏振光源，然后再传输到偏振分析仪，以测量椭圆偏振状态。
最后，还可以使用椭圆偏振实验仪进行椭圆偏振测量，它可以实现多种高分辨率偏振测量。
此外，该仪器也可以测量多边形偏振。
此外，还可以使用双自由度的偏振分析仪来测量椭圆偏振光，即可以用它来测量多种偏振状态，以获得更为复杂和准确的结果。
最后，可以使用偏振控制器来控制椭圆偏振光的振幅和相位分布，以实现更精确的椭圆偏振测量。
另外，针对复杂的偏振状态，还可以使用偏振激元法、偏振场矩阵、偏振流形以及偏振增强成像等技术来进行椭圆偏振测量。
椭圆偏振光与园偏振光的产生和检验
一、 圆偏振光和椭圆偏振光起偏 晶体相移器件
1、椭圆和圆偏振光获得（思路及装置） （一种相移元件）
思路： 根据振动方向相互垂直、频率相同的两个简谐振动能够合
成椭圆和圆的原理，可有双折射现象获得椭圆和圆偏振光。
分析： 自然光入射到晶片上，
光轴
出射光仍为自然光。（无恒定的相位差）晶片
d
自然光透过晶片是得不到椭圆和圆偏振光的。 o e
线偏振光入射到晶片上，可分解为振动方向相 互垂直的 e 光和 o 光。
晶片：光轴 平行于表面 的晶体薄片
出射光为振动方向相互垂直的、具有固定位相关
系的线偏振光 椭圆和圆偏振光
2、椭圆和圆偏振光起偏装置（光路图） 光轴
y
λ
Ae
A0
？ x
P2 A2e
若单色光入射，且d不均匀， 则屏上出现等厚干涉条纹。色
若若dd均不匀均不匀变，，且而以以白白光光入入射射，，则则屏屏上上出出现现彩均色匀条的纹颜。色。偏振
色偏振： 由于某种颜色干涉相消，而呈现它的互补色
如 红色相消→绿色；蓝色相消→黄色
二、人为双折射
人为地造成介质的各向异性，而产生双折射。
A出
Ae 正最大时，Ao为负最大
A入
线偏振光振动面转过2 角度 A0出
A0入
1/2波片的作用—— 使线偏振光振动面转过2 角度
二、椭圆偏振光与圆偏振光的检偏
用1/4 波片C 和偏振片P 可把自然光与圆偏振光
（或部分偏振光与椭圆偏振光）区分开来。
自然光 圆偏振光
自然光 四 分 线偏振光 之
一、偏振光的干涉
P1
AC
Ao
椭圆偏振光光矢量旋转方向的几种判断方法
椭圆偏振光光矢量旋转方向的几种判断方法椭圆偏振光（Elliptically Polarized Light，EPL）指的是在极化态上具有水平、竖直两个极性组合的椭圆波动的光矢，其中的椭圆轴按照当前的极化方向而定。
EPL的特征表征了这种光矢的旋转性，以及它们对于极化态的响应。
由于EPL具有不同的极化态，其在多种科学过程中都扮演着重要的角色。
因此，确定EPL旋转方向是非常重要的，而目前存在有不同的方法来判断EPL旋转方向，包括：通过椭圆形谱仪（Ellipsometer）测量定义的椭圆偏振度（Ellipticity）和旋转角（Retardation）；使用彩色滤片（Colour Filters）来测量EPL的旋转度；使用结构化光谱波谱仪（Structured Light Spectrometer）直接测量EPL状态；以及利用偏振子（Polarizer）变换器将EPL转换为不同的极化态来检测旋转方向。
首先，椭圆形仪（Ellipsometer）可以用于测量EPL状态，其原理是利用夹角基底原理将检测到的EPL状态转换为两个角：椭圆度（Ellipticity）和旋转角（Retardation），根据这两个角就可以判断EPL的旋转方向。
其次，彩色滤片（Colour Filters）也可以用于测量EPL的旋转度，它可以发那它EPL状态，并将其转换成红色、绿色和蓝色，然后通过比较滤片之间的颜色明暗程度来判断EPL的旋转方向。
此外，利用结构化光谱波谱仪（Structured Light Spectrometer）也可以用于测量EPL的状态，结构化光谱波谱仪使用的是散射诱导的光学截止波，它可以直接测量EPL状态，进而判断EPL旋转方向。
最后，偏振子（Polarizer）变换器可以用来检测EPL的旋转方向，它可以将EPL转换为不同的极化态，并利用夹角基底原理测量数据，以确定EPL旋转方向。
总而言之，14早圆偏振光光矢旋转方向可以通过椭圆形谱仪（Ellipsometer）、彩色滤片（Colour Filters）、结构化光谱波谱仪（Structured Light Spectrometer）以及偏振子（Polarizer）变换器等不同的方法来确定。
偏振光的研究和检测
1，自然光通过检偏器 由于自然光具有轴对称性，将光强为Io的自然光中每一个光矢量都在x,y两个方向上分
解，因此有Ix=Iy=Io，这说明肉然光可以等效为等幅(Io/2) 、无确定相位关系、阻取向任意 的两个正交的线偏振光。
如图44-1所示,Ip- θ曲线应为一条直线。
2.线偏振光通过检偏器——马吕斯定律 马吕斯定律指出，一束如图44-2所示光强为Io的线偏振光，通过检偏器的透射光强为
人眼仅对光的强弱变化敏感，而无法直接感知光的各种偏振态，必须借助检偏器，研 声透射光强的孪化来判定光的偏振态。检偏器(或起偏器)是二种只允许某一振动方向光通 过的光学器件，当它用来产生线偏振光时称为起偏器，用来检验线偏振光时称为检偏器。 常用的检偏器有两类：一类是利用材料对不同方向的电磁振动具有选择吸收特性的原理制 成的，称为偏振片；另一类是用双折射晶体制成的特殊棱镜,如尼科耳棱镜,格兰棱镜等,这 类棱镜的透光率和偏振度远高于偏振片。在检偏器上能够让电矢量充分透过的方向称为透 振方向，记作P，与P正交的方向上的电矢量将被强烈吸收而无法透过，称为消光方向。
2.线偏振光的检验 将起偏器的起偏角定在偏振方向为0”的位置，然后旋转检偏器找到光强最大的位置，
记录功率计的读数，而后每隔30”记录一次透射光强的数值，直到旋转一周后出现两次极 大和两次“消光”。画出透射光强随角度变化的曲线与理论曲线相比较，验证马吕斯定律 。
3. 1/4波片的摆正 旋转检偏器使PA正交，在起偏器与检偏器之间放一1/4波片，调节波片使激光束通过
3.椭圆偏振光
角度 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 光强 0.08 0.34 0.99 1.30 1.02 0.42 0.08 0.34 0.95 1.26 0.99 0.34 0.08
椭圆偏振法简称椭偏法
椭圆偏振法简称椭偏法，是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法。
椭偏法的基本原理由于数学处理上的困难，直到本世纪40年代计算机出现以后才发展起来。
椭偏法的测量经过几十年来的不断改进，已从手动进入到全自动、变入射角、变波长和实时监测，极大地促进了纳米技术的发展。
椭偏法的测量精度很高（比一般的干涉法高一至二个数量级），测量灵敏度也很高(可探测生长中的薄膜小于0.1nm的厚度变化)。
利用椭偏法可以测量薄膜的厚度和折射率，也可以测定材料的吸收系数或金属的复折射率等光学参数。
因此，椭偏法在半导体材料、光学、化学、生物学和医学等领域有着广泛的应用。
通过实验，读者应了解椭偏法的基本原理，学会用椭偏法测量纳米级薄膜的厚度和折射率，以及金属的复折射率。
一、实验原理椭偏法测量的基本思路是，起偏器产生的线偏振光经取向一定的1／4波片后成为特殊的椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面时，只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品表面反射出来的将是线偏振光。
根据偏振光在反射前后的偏振状态变化（包括振幅和相位的变化），便可以确定样品表面的许多光学特性。
设待测样品是均匀涂镀在衬底上的透明同性膜层。
如图3.5.1所示,n1,n2和n3分别为环境介质、薄膜和衬底的折射率，d是薄膜的厚度，入射光束在膜层上的入射角为，在薄膜及衬底中的折射角分别为和。
按照折射定律有(1)光的电矢量分解为两个分量，即在入射面内的P分量及垂直于入射面的S分量．根据折射定律及菲涅尔反射公式，可求得p分量和s分量在第一界面上的复振幅反射率分别为,而在第二界面处则有,从图3.5.1可以看出，入射光在两个界面上会有多次的反射和折射，总反射光束将是许多反射光束干涉的结果。
利用多光束干涉的理论，得p分量和s分量的总反射系数,其中( 2)是相邻反射光束之间的相位差，而为光在真空中的波长。
光束在反射前后的偏振状态的变化可以用总反射系数比(R P/R S）来表征。
在椭偏法中，用椭偏参量和来描述反射系数比，其定义为 (3)分析上述各式可知，在，，n1和n3确定的条件下,和只是薄膜厚度d和折射率n2的函数，只要测量出和，原则上应能解出d和n2。
椭圆偏振光、圆偏振光、偏振光的检验
(no ne )d (2k 1) / 2 , k 0,1,2 相干相长 (no ne )d k , k 1,2
相干相消
• 偏振片M与N的透振方向相互平行（M//N)
AeN A cos cos
M
N
c
AeN
Ae
AON A sin sin
17-7 人为双折射现象
• 光弹现象
E M
F
现已成为光测弹性学基础。
N
o
• • I
0
I0 2
o' F
透明的各向同性介质在机械应力作用下，显示出光学上的各向 异性，与OO’为光轴的双折射类似，这种现象叫做光弹效应。 实验表明，在一定胁强强范围内：
S为材料 E受力的面积。
k 为胁强光学系数
F (ne no ) k S
d
波长片
任意 1/2波片
任意
00或900
出射光的偏振态
与入射光偏振态相同
与入射光偏振态相同 出射线偏光振动方向与入射光 振动方向对于光轴对称，两者间夹角2 圆偏振光 线偏光 长短轴之比为tan或Ctan 的正椭圆偏光 椭圆偏振光
450
1/4波片 非波片 非半波片 非波片 非半波片 非1/4波片
M
N M
• • I
0
•• 色偏振（互补原理的应用）
取不同厚度的云 母片将它们贴在 玻璃板上，放在 两个用白光照明 的正交偏振片M、 N 之间，其厚度 MN 使其呈现红、绿、 蓝三色。 当M、N平行时，则呈现青、品、黄。
M // N
白光中去掉红为青；白光中去掉绿为品；白中去蓝为黄。
这两个偏振片在由正交向平行方位过渡时， 出射光的颜色，亮度发生变化的现象，称 为色偏振。
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椭圆偏振光椭圆度的测定
一、原理——马吕斯定律
能够将自然光变为偏振光的器件称为起偏器，用于检验偏振光的器件称为检偏器。
一束自然光通过偏振器后，出射线偏光矢量的振动方位是由偏振器决定的。
称偏振器允许透过的光矢量的方向为偏振器的透光轴。
使从起偏器出射的光通过
一起偏器，则透过两偏振器后的光强随两器件透光轴的夹角θ而变化，即
当两偏振器透光轴平行（θ=0°）时，透射光强最大，为0；当两偏振器透光轴
互相垂直（θ=90°）时，则透射光强为零，没有光从检偏器出射，称此时检偏器处于消光位置。
二、方法——采用检偏器检验的方法
旋转检偏器时，透射光强随之变化。
当检偏器透光轴方向与长轴方向重合，即θ=0°或θ=180°时，有最大透射光强=；而当互相垂直，即θ=90°
或θ=270°时，有最小透射光强=。
由此可以通过旋转检偏器找到光强最大/最小的位置，借助功率计，即可得知，，从而算出
椭圆度tanε=/
三、步骤
1、搭建合适光路，如图
2、根据产品的设计波长选取相对应的光源，将产品的偏振器光轴与起偏器光轴调节一致（夹角为0°），旋转检偏器，标记出功率计示数最大和最小的位置，并记录数，，计算出椭圆度tanε=/。