获得偏振光的方法与思想 大学物理解题方法论文

大学物理解题方法论文

题目获得偏振光的方法与思想作者张耀远、张强、弋强

所属学院化学工程学院

专业年级化学工程与工艺10级本科

指导教师钟寿仙职称教授写作时间2011-12-6

获得偏振光的方法与思想

张耀远、张强、弋强

中国石油大学（北京）本科10届

摘要：本文介绍了获得线偏振光，椭圆偏振光，圆偏振光的不同方法，并对这些方法的原理和生产工艺等方面进行了说明。

关键字：偏振光 偏振片 双折射 二向色性

前言：我们知道光的干涉和衍射现象揭示了光的横波性，而光的偏振则进一步证实光的横波性。同时，偏振光在许多技术上都有广泛的应用，比如光弹效应测量应力场分布、偏振现象在摄影技术上的应用、电光效应等等。所以就有必要研究产生偏振光的方法，本文从实际出发，详细说明了产生偏振光的不同方法及其原理。

一、线偏振光的获得

1、由反射产生线偏振光

布儒斯特于1812年发现,当入射角等于某一特定角度时,在反射光中只有垂直于入射面的振动,而平行于入射面的振动变为零,这时的反射光为线偏振光。这个特定的入射角称为起偏角，又称为布儒斯特角，以B i 表示，其值为

1

2a r c t a n n n i B =，该式称为布儒斯特定律。当自然光由空气入射到玻璃板()50.12=n 时,︒=3.56B i ；反之,由玻璃射向空气时，︒=7.33'

B i 。（如图1）

图1 由反射产生偏振光的原理图

当自然光以布儒斯特角入射时，反射光中只有垂直于入射面的光振动，入射光中平行于入射面的光振动全部被折射，折射光为部分偏振光。如果把许多玻璃片相互平行地叠在一起，构成一玻璃片堆，自然光以布儒斯特角入射玻璃片堆时，光在各层玻璃面上反射和折射，经多次反射除去了垂直于入射面的光振动，可使最后透射出来的几乎完全是平行于入射面的光振动，即线偏振光。（如图2）

图2 由折射产生偏振光的原理图

3、由干涉产生线偏振光

多层膜直角起偏分束镜是一种典型的薄膜干涉起偏器。这种起偏器是在两个直角玻璃棱镜()55.13=n 的斜面上交替镀以高折射率的)3.2(2≈n ZnS 和低折射率的冰晶石25.11=n ，两部分胶合成立方体。自然光以45°角入射到多层膜堆上，光束在薄膜内发生多次反射并干涉(在各膜层中中心波长光线均以布鲁斯特角入射，这在膜系设计中应以保证)，经膜片堆起偏后，两线偏振光分量沿正交方向输出。（如图3）

图3 薄膜干涉起偏器

线栅起偏器中最简单的平行导线栅是由许多平行的金属丝密排组成的平面结构。按照电磁波的辐射理论，当非偏振光入射其上时，电矢量沿导线方向的光波会被线栅吸收，而电矢量垂直于线栅的光分量则能透过，因而线栅透射光的电振动矢量与栅格是垂直的，衍射光栅上蒸镀金属形成的金属线栅线栅偏光镜制造工艺是蒸发一束金原子或铝原子，以近掠入射角射到一个以硫化锌或硒化锌为基底的闪耀光栅上，此时金属积聚在光栅的每—个台阶的边缘形成极细的“导线”，如图所示，它们的间隔d 小于一个波长。另外还可用衍射光栅或小阶梯光栅产生偏振光。衍射光栅反射的光是偏振的，但是效应很微弱，并且与波长有密切关系；而小阶梯光栅可产生明显的线偏振光。（如图4）

图4 衍射光栅上蒸镀金属形成的金属线栅

5、由散射产生线偏振光

如图5所示，由光源S 射出的自然光通过盛水的器皿M ，如果水经过仔细清洁处理，则从垂直光束的方向观察器皿，几乎看不到光束，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，就会产生强烈的散射，从各个方向看，光束都是明显可见的，在与入射光垂直的方向用检偏器P 进行观察，可以发现散射光是偏振的。电场的振动方向垂直于入射光线与观察方向所形成的平面。

散射型偏振片利用光的强烈散射或全反射而产生的偏振可制造散射型人造偏振片，如图6所示，它是由二片ZK3平玻璃片夹住一层硝酸钠晶体而成的。产生偏振的原理：ZK3的折射率5891.1=n ，而硝酸钠晶体中寻常光的折射率5854.10=n ，非常光的折射率3369.1=e n ，这样当自然光透过第一玻片进入晶体而被分成e 光与o 光后，因e n 比n 小得多，故e 光几乎全部被晶体散射或反射，

它无法从晶体中射出。可是

n与n近似相等，在晶体中几乎不发生反射和散射，

因此自然光射入第一玻片及硝酸钠晶体后，o光几乎全部能从第二玻片中射出。

图5 由散射产生偏振光的光路图

图6 散射型偏振片

6、又二向色性获得线偏振光

如果某种物质有选择地吸收通过它的某一偏振方向的光波，这种物质可认为是光学二向色的(或称双色性物质)，许多矿物和有机化合物都具有二向色性。对于o光和e光有不同吸收作用的晶体称为二向色晶体。例如，电气石能强烈吸收o 光而很少吸收e光。因此自然光通过二向色晶体后，出射光是线偏振光。

7、由晶体的双折射产生线偏振光

一束光射到某些晶体(如方解石、石英)上，在晶体内分成两束折射光，如图7所示，这种现象称为双折射。在单轴晶体中的两折射光束，有一束遵守折射定律，这束光称为寻常光，简称o光；另一束不遵守折射定律(即折射光线不一定在入射面内，而且对不同的入射角，入射角的正弦与折射角正弦之比不是恒量)，这束光称为非常光，简称e光。o光和e光都是线偏振光，o光的振动方向垂直于它对应的主平面(晶体的光轴和光线所组成的平面)，e光的振动方向平行于它

所对应的主平面。在大多数情况下，这两个主平面之间的夹角很小。因而o 光和e 光的振动方向可以认为是互相垂直的。

图7 方解石晶体中的双折射

二、椭圆圆偏振光的获得

线偏振光垂直入射于双折射晶片，如入射偏振光的振动方向与晶片光轴之间的夹角为α，如图所示，则偏振光射入晶片后，将分成振动互相互直的o 光和e 光，但振幅不同。这两束光沿同一方向传播，具有不同的速率，因此两光束透过晶片后，两者间有一定的相位差：()d n n e 002-=∆πλφ（式中d 为晶片的厚度，0n 和e n 分别为晶片对o 光与e 光的主折射率，0λ为入射单色光在真空中的波长）。如果晶片的厚度使πφk ≠∆，那么透过晶片的这两束光振动方向相互垂直而相位差一定，叠加后就形成椭圆偏振光(椭圆主轴与光轴夹一角度)。当晶片的厚度d 使o 光和e 光的相位差为2/πφ=∆时，称为四分之一波片，或4/λ片。线偏振光通过4/λ片后，出射光是以光轴为主轴的椭圆偏振光，即正椭圆偏振光。

三、圆偏振光的获得

在获得椭圆偏振光的图中，使4/λ片的光轴与线偏振光振动方向的夹角4/πα=，则o 光与e 光的振幅相同，线偏振光通过4/λ片后，出射光就为圆偏振光。

四、结论

获得偏振光的方法有很多，但这些方法的实质和思想就是：从原理出发，分