§14-10  偏振光的获得和检测

    一、偏振光的获得

    1. 布儒斯特定律

    如果让自然光从折射率为n1的介质射向折射率为n2的介质而被界面反射,反射光中垂直于入射面的光振动成分将大于处于入射面内的光振动成分,当入射角等于某一特定角i0时,反射光成为振动面垂直于入射面的线偏振光,并且i0满足

                          ,                    (14-94)

这个规律称为布儒斯特定律,i0称为布儒斯特角或起偏角。

    当入射角为i0时,折射角为r0,根据折射定律,应有

                            .                  (14-95)

将这个关系代入式(14-94),得

图 14-48

            ,

             ,

这表示,当入射角为起偏角时,反射光与折射光互相垂直,如图14-48所示。如果自然光从空气射到折射率为1.50的玻璃片上,根据布儒斯特定律,可以求得起偏角为56.3°,此时的折射角为33.7°。

    当自然光以起偏角从一种介质入射到第二种介质的表面上,反射光成为线偏振光,而如果第二种介质没有特殊的吸取作用,那么折射光将成为部分偏振光,并且在入射面内的光振动成分将大于垂直于入射面的光振动成分。假如让这样的部分偏振光连续几次作同样的反射和折射, 最后获得的折射光也必定是线偏振光。

    2. 晶体的双折射现象

    在§9-7中讨论固体的一般性质时,曾涉及过晶体具有的一种普遍性质,即各向异性。这里大家所要说的各向异性,是在某些透明晶体中光沿不同的方向具有不同的传播速率,具有这种性质的晶体,称为双折射晶体。大家设想在各向同性的均匀介质中有一点光源S,在任意瞬间光波的波面总是球面。而在均匀的双折射晶体中,点光源S发出的光波波面却有两组,一组是球面,另一组是旋转椭球面,如图14-49所示。这两组波面在某一方向上彼此相切,如图中QQ¢的方向,这个方向称为晶体的光轴。

           图 14-49

                (a)                             (b)

                             图 14-50

    在一般情况下,当平行自然光垂直入射到晶体的表面时,根据惠更斯原理,被照射的晶体表面上各点都是发射子波的波源,而子波的波面有球面和椭球面两种,所以子波波面的包络面也应有两种,即球面的包络面和椭球面的包络面。于是折射光将分成两束,如图14-50(a)所示。由球面的包络面形成的折射光,称为寻常光,用o表示;由椭球面的包络面形成的折射光,称为非常光,用e表示。寻常光o是遵从折射定律的,而非常光e不遵从折射定律。如果晶体表面的法线恰好与光轴重合, 使垂直入射的自然光正好沿着光轴方向,这时两种波面的包络面相重合,o光和e光相重合,即不发生双折射现象,如图14-50(b)所示。

    实验表明,当自然光射入双折射晶体时,两束折射光o和e都是线偏振光,并且它们的振动面通常接近于互相垂直。所以,如果能将寻常光与非常光分开,那么就可以利用双折射晶体由自然光获得线偏振光。通常采用的一种方法是使寻常光或非常光经过全反射而偏转到一侧,另一束光则无偏转地由晶体出射。尼科耳棱镜就是利用这个道理获得线偏振光的。

    图14-51表示了一个尼科耳棱镜的示意图。它是由两块方解石(双折射晶体)直角棱镜(图中ABDACD)用加拿大胶粘合而成的。光轴QQ  ¢与端面成48°角。当自然光沿平行于棱AC的方向入射到端面AB后, 折射成两束,即寻常光o和非常光e。寻常光o的振动面与截面ABCD垂直,而非常光e的振动面与截面ABCD平行。对于寻常光o,方解石的折射率为1.658,加拿大胶的折射率为1.550,因此在方解石与加拿大胶的界面上发生全反射(入射角为76°,全反射的临界角为69°)。对于非常光e,在此入射方向上方解石的折射率为1.516,加拿大胶的折射率仍为1.550,不会发生全反射,而进入第二个直角棱镜,并从端面CD出射。这样就得到了线偏振光,光矢量的振动方向如图14-51(b)箭头所示。

    3. 二向色性晶体

                    (a)                        (b)

                       图 14-51

    有些透明晶体不仅具有双折射现象,而且对o光或e光有不同的吸取作用,这种晶体称为二向色性晶体。利用二向色性晶体的这种特性,可以将自然光转变为线偏振光。例如,电气石晶体就具有很强的二向色性,当自然光射入这种晶体时,发生双折射现象,并对寻常光o有强烈的吸取作用,而对非常光e却吸取很少,所以大部分非常光能够透过。

    天然单晶体的体积都是很有限的,一般不容易达到使用的要求。人们发现硫酸碘奎宁晶体也具有二向色性,若在被拉伸的塑料基片上淀积一层硫酸碘奎宁薄膜,片基的应力将使这种物质晶粒的光轴沿一定方向排列。当入射光照射在硫酸碘奎宁晶粒上时,与光轴垂直的电矢量被强列吸取,极少通过,而与光轴平行的电矢量却吸取很少,较多地通过。将这种薄膜敷在玻璃片上可以制成偏振片。光振动能通过的方向,就是偏振片的透振方向。偏振片已广泛用作起偏器或检偏器,并在各种偏振光仪器中普遍使用。

    *4. 波片

    波片也称波晶片或相位延迟片。它是从双折射晶体切割下来的平行平面板,其光轴与表面平行。当平行光垂直射到波片上,将被分解为寻常光o和非常光e两种振动,它们的振动方向分别垂直于光轴和平行于光轴,虽然它们在波片中传播方向相同,但传播速率却不同,因此彼此产生了附加的相位差f

    显然,由波片所分解的两种振动的相位差f取决于入射光的波长和波片的厚度。如果波片的厚度正好使某一波长的光产生p/ 2的相位差, 这样的波片称为1/4波片,椭圆偏振光和圆偏振光都可以利用1/4波片获得。除1/4波片外,还有半波片,它能使两种振动产生 p 的附加相位差。

                      图 14-52

    如果让线偏振光垂直入射到1/4波片上,那么从波片另一表面出射的光是椭圆偏振光;如果线偏振光的振动面与1/4波片的光轴成45°角,那么分

解后的o光和e光振幅相等,从晶片的另一表面出射的光则是圆偏振光,如图14-52所示。

 

       
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