光学经典理论|光的偏振和偏振光详解

光的偏振

定义

光的偏振（polarization of light）：振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。

分类

下面来说一说这几种偏振光。

一、线偏振光

在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持在光的偏振同一平面内，这种光称为线偏振光（或平面偏振光)。

线偏振光与圆偏振光对比

二、圆偏振光

旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光的特殊情形。在我们的观察时间段中平均后，圆偏振光看上去是与自然光一样的。但是圆偏振光的偏振方向是按一定规律变化的，而自然光的偏振方向变化是随机的，没有规律的。

三、椭圆偏振光

在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动，且电矢量端点描出一个椭圆轨迹，这种光称为椭圆偏振光。迎着光线方向看，凡电矢量顺时针旋转的称右旋椭圆偏振光，凡逆时针旋转的称左旋椭圆偏振光。椭圆偏振光中的旋转电矢量是由两个频率相同、振动方向互相垂直、有固定相位差的电矢量振动合成的结果。

四、部分偏振光

光波包含一切可能方向的振动，但不同方向上的振幅不等，在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，这种光称为部分偏振光。自然光和部分偏振光实际上是由许多振动方向不同的线偏振光组成。

各种偏振光的获得方式

线偏振光的获得

1、反射产生线偏振光

使用的方法就是大家很熟悉的布儒斯特定律。当入射光以某一角度入射到透明介质中时，反射光为偏振方向垂直于入射面的偏振光（s偏振光），投射光线为部分偏振光。通过这种方法我们就得到了s偏振光。

2、由折射产生线偏振光

如果想要偏振方向平行于入射面的偏振光怎么办呢？我们也有办法！思路就是入射光以布儒斯特角日射一堆平行放置的玻璃片，在每一层玻璃片上都产生上面所说的现象，经过N层玻璃片之后，折射光线中的s偏振几乎可以认为没有了，只留下p偏振光。

3、由干涉产生线偏振光

由玻片堆启发我们把玻璃片换成各种膜，在等腰直角棱镜的斜面上交替蒸镀高低折射率的膜层，设计膜系使布儒斯特角为45°，然后两个等腰直角棱镜胶合，就变成了偏振分光棱镜（PBS）。入射光垂直进入棱镜，在各膜层之间反复反射和折射，并最后被分解成两束偏振相互垂直的线偏光。看似和干涉没什么关系，我们看反射光，当精准控制膜系的时候就会产生多光束干涉。

4、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。线栅偏光镜制造工艺是蒸发一束金原子如铝原子 ,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 4 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。

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。

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n=1.5891，而硝酸钠晶体中寻常光的折射率no=1.5854，非常光的折射率ne=1.3369;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ne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no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。

6、由二向色性获得线偏振光（人造偏振片）

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。

在激光问世以前 ,二向色偏振器是应用最广的一类偏光器件 ,除最早认识的偏振片电气石外均为人造偏振片 ,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镀一层某种晶粒 (如碘酸碘奎宁或硫酸奎宁碱) ,或者将某些晶体 (如碘硫酸金鸡钠) 均匀地混合在硝化纤维的透明粘滞液体中 ,然后将这种粘滞液放在玻璃板上进行工艺加工 ,使针状晶粒都相互平行 ,当挥发性溶剂自行挥发后 ,便结成一张玻璃纸似的透明膜片。 这些晶粒对某一方向的光矢量有强烈的吸收 ,而对相对垂直方向的光矢量吸收很少 ,从而使入射的自然光变成线偏振光。 现在常使用的一种偏振片是用聚乙烯醇薄膜经碘溶液浸泡 ,然后沿一定方向拉伸并烘干制成 ,这种偏振片称为 H 偏振片。 还有一种 K 偏振片 ,它是将聚乙烯醇薄膜放在高温炉中 ,通以氯化氢 ,除去聚乙烯醇分子中的一些水分子 ,再单向拉伸而成 ,见图 7 。

此外 ,还可以在玻璃或塑料表面上涂上二向色薄膜制成拜尔比层起偏器 ;由于热解石墨在电导率和光学性质两方面均有很强的各向异性 ,所以也可用热解石墨来制作二向色起偏器。

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8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。

激光偏光棱镜分尼科耳型和格兰型两种结构。尼科耳棱镜是将两块根据特殊要求加工的方解石棱镜用特种树胶粘合成一个斜方柱形棱镜。如图9所示，自然光射入第一棱镜，分成o光和e光。由于所选用的树胶的折射率(n=1.55)介于方解石对o光的折射率(no=1.658)和e光的主折射率(ne=1.486)之间，o光射到树胶层时，发生全反射，由涂黑的侧面吸收，而e光透过树胶层并穿过第二棱镜射出。这样，用尼科耳棱镜便可获得线偏振光。

格兰棱镜是尼科耳棱镜的改进型，将一块方解石加工成直角长方体，再切成两个楔块，然后粘合起来，这样得到的出射光与入射光在一直线上。格兰型设计又有两种形式，如图10所示，光轴与切面平行的胶合型结构称为格兰2汤姆孙棱镜;光轴与切面法线共面的胶合型结构称为李普奇棱镜。有空气隙的汤姆孙型结构称格兰2傅科棱镜;有空气隙的李普奇型设计称格兰2泰勒棱镜。

椭圆偏振光的获得

使线偏振光经过1/4波片即可得到主轴为波片光轴方向的托圆偏振光。

圆偏振光的获得

圆偏振光是椭圆偏振光的一种特殊情况，使1/4波片的光轴方向与线偏振光的偏振方向夹角为45°，即可得到圆偏振光了。

偏振光如何检测。

上周三讲到的光的偏振分为自然光（没有偏振）、部分偏振光和全偏振光。其中全偏振又分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。

想要分辨偏振态的话检偏器是不可缺少的。当一束光通过检偏器，转动检偏器，出现消光现象的，可以断定这束光是线偏振光；如果旋转检偏器光强没有发生变化，从上面的图示中可以看出，圆偏振光和自然光都会有这种现象，也就是说我们不可以分辨出这两种偏振态；如果旋转检偏器光强有强弱变化，那么可以断定这束光要么是部分偏振光，要么是椭圆偏振光。

通过上面的简要分析我们看到一个检偏器可以把一束未知光束分成三组：

现在的矛盾聚焦在了如何区分剩下的两组偏振态。我们在回顾一下上周五的内容，椭圆偏振光和圆偏振光都是脱胎于线偏振光的，由线偏振到椭圆或者圆偏振引入了一件神器——1/4波片。俗话说解铃还须系铃人，想要分辨出这两组偏振态还得请出1/4波片。

如何分辨自然光和圆偏振光

在检偏器之前加一个1/4波片，它就会把圆偏振还原成线偏振光，而1/4波片对自然光没影响，我们再转动检偏器，如果光束还是没有产生消光现象，那么这束光就是自然光了，反之就是圆偏振光。

如何分辨部分偏振光和椭圆偏振光

还是利用老方法，把椭圆偏振光还原成线偏振光来检验，这需要注意了偏振片停留在透射光强度最大的位置，在偏振片前插入1/4玻片，使玻片的光轴与偏振片的投射方向平行，再次转动偏振片会若出现消光现象，即为椭圆偏振，即椭圆偏振片变为线偏振光；若还是不出现消光，则为部分偏振光。

好了，使用所说的方法我们就可以轻松的鉴别各种偏振态的光束了。