線偏振光原理

1、線偏振光光振動(在垂直于光波前進方向的平面內(nèi))限于某一固定方向的偏振光，又稱這種光為線偏平面偏振光。極大多數(shù)光源都不發(fā)射線偏振光而發(fā)射自然光，需要經(jīng)過下列措施才能獲得線偏振光。 在透明媒質(zhì)界面上的折射和反射 讓自然光以偏化角入射在二種不同透明媒質(zhì)的界面時，可得完全偏振的反射光與部分偏振的透射光。以空氣與玻璃為例，根據(jù)菲涅耳公式（見光在分界面上的折射和反射），此偏化角(布儒斯特角)為iParctgn。如n1.5,iP57°。最簡單產(chǎn)生與檢查偏振光的偏振鏡是用安置如圖1的兩塊玻璃。最好用黑色玻璃，或用一般玻璃，反面磨毛涂黑，以吸收透射光及阻擋從玻璃后面射來的光。自然光先以iP角

2、射向下面一塊玻璃，產(chǎn)生偏振垂直入射面的反射光射向第二塊玻璃。當(dāng)上面的玻璃的入射面和下面的平行時，則可從上面玻璃見到反射光。但如上下玻璃的入射面互相垂直，由于垂直第一塊入射面的偏振成為平行第二塊入射面的偏振，不能被反射，觀察者雖隨第二塊轉(zhuǎn)90°角,亦看不到反射光，得黑視場。這里下面一塊稱起偏鏡，上面一塊稱檢偏鏡。只要能產(chǎn)生偏振光的一對器件，都可以達到起偏與檢偏作用。這偏光鏡雖簡單，但入射光與出射光不在一條直線上，使用不便。如利用一堆玻璃片,作如圖2的布置使入射角也是iP。由于經(jīng)多片玻璃反射，透射光接近偏振光，而且與入射光在同一個方向上，很方便。所用的玻璃堆片每片的質(zhì)量要好，表面平，光潔

3、度好，以減少雜散光。  通過雙折射晶體 有很多自然界的晶體，如方解石（又名冰洲石），石英（又名水晶）等等，當(dāng)自然光入射后，分解為二束偏振光，故名雙折射晶體。以方解石為例。方解石晶體外形如圖3a。通過三個鈍角匯合的頂角并和三面成等角的方向稱光軸。光沿光軸方向傳播，不產(chǎn)生雙折射。沿其他方向，都產(chǎn)生雙折射。以包含光軸并與棱體自然裂開面垂直的一個截面為例，如圖3b。這截面稱主截面。自然光在主截面內(nèi)分解為尋常光（簡稱o光）,與非常光（簡稱e光）。o光遵守折射定律，垂直通過晶體,其偏振垂直主截面。e光不遵守折射定律，偏離o光而出射,其偏振平行主截面。這兩偏振光進入空氣中后，為方便計，仍

4、稱o光與e光。o光與e光相距很近，如光束較粗，無法分開。為了只要一種偏振光，需采用以下棱鏡。 尼科耳棱鏡  取長為寬約三倍的方解石, 將兩端面磨去一部分，使在主截面上銳角由71°減到68°。再將晶體沿著短對角線切開，一分為二。再將切開面磨平拋光，然后再用加拿大樹膠粘合在一起。對于鈉黃光5893，e光折射率為ne=1.48641，o光折射率no=1.65836,而加拿大樹膠折射率為nc=1.550，介乎二者之間。當(dāng)自然光從端面入射棱體，到達樹膠層斜面，由于 e光折射率小，可以透過。而o光折射率大,到達樹膠層時入射角大于全反射角，被樹膠層全反射到邊緣，被黑色涂層吸收。

5、透到空氣中只有e光，其偏振從出射方向的晶體端面看,是平行端面的短對角線的。入射、出射光束的發(fā)散角不能很大。出射光束發(fā)散角最大在 24°左右，視所用光的波長而定。再大會使o光在一邊透過，e光在另一邊全反射，使偏振不純。在紫外線區(qū)工作，要將加拿大樹膠換以甘油或蓖麻油。尼科耳棱鏡的缺點是,由于兩端是斜面,入射光與透射光不在一條直線上。當(dāng)轉(zhuǎn)動棱鏡時，透射光線隨著轉(zhuǎn)動而移動,接收處的位置要隨著調(diào)動,很不方便。   格蘭湯普森棱鏡 將方解石或石英磨成光軸平行棱邊的直角三棱鏡兩塊，再用加拿大樹膠粘合如圖5。兩棱鏡中也可夾一空氣薄層。光從端面垂直入射，o光在膠面上全反射

6、，而e光能透過。由于光垂直入射端面，反射較小，透射光強。并且轉(zhuǎn)動棱鏡，出射像可保持沒有橫向移動。 阿倫氏棱鏡 將方解石磨成三塊三棱鏡，然后粘合在一起，如圖6所示，通光面積,比格蘭湯普森棱鏡大?？臻g的發(fā)散角約26°。有些高級的偏光顯微鏡的上、下偏光鏡，常用這種棱鏡。 雙像棱鏡 同時產(chǎn)生o、e兩種偏振光。但它們的分離的角度比天然方解石棱體的o、e光較大。兩光可以同時用，亦可分開用。 通過雙色性（又名二向色性）晶體  某些雙折射晶體對二種互相垂直的偏振光具有不同的吸收。例如電氣石吸收o光比吸收e光大得多。白光經(jīng)過 1毫米厚的電氣石晶片，幾乎全部o光被吸收而e光

7、只略微被吸收。透過的偏振光略帶黃綠色，足見吸收對波長還有依賴關(guān)系。 偏振片 W.B.赫勒帕思在1852年發(fā)現(xiàn)碘化硫酸金雞納（奎寧）針狀結(jié)晶有雙色性吸收。厚約 0.1毫米的晶體已能完全吸收o光。但晶粒微小,當(dāng)時無法用以產(chǎn)生偏振光。直至1934年才有人將碘化硫金雞納浮懸在膠體中，當(dāng)膠體拉成薄膜時這些微小晶體隨著拉伸方向排列整齊，起了一大片雙色性晶體的作用。等薄膜干后，把它夾在二塊平面玻璃片之間，制成大面積獲得偏振光的器件。也有用聚乙烯醇薄膜浸透了碘制成。這類薄膜片，商品名Polaroid，稱偏振片?，F(xiàn)在由于塑料工業(yè)的發(fā)展，已有很多種變種偏振片。質(zhì)量好的，可通過入射光中一個偏振光的80,而

8、通過另一個偏振光小于1。兩個偏振片相互垂直,通過全部入射光的0.01,還不能全黑。一般產(chǎn)品，還達不到這指標(biāo)。所以精密儀器中，還是采用上述棱鏡。雖然偏振片有偏振不純及光較弱的缺點，但它幾乎具有近乎180°的孔徑。又不像自然晶體受大小的限制，幾乎可以做得直徑大至數(shù)十厘米的尺寸。而且產(chǎn)品成本低廉，可大量生產(chǎn)。所以在很多實際應(yīng)用中，小如觀看立體電影的偏光眼鏡，較簡單的偏光顯微鏡的上下偏光鏡，攝影用的消反光的附加鏡頭，大至光彈儀的起偏與檢偏鏡，都用這種薄膜偏振片。 線柵起偏器 在1960年有人在每毫米約2160條的透明光柵上鍍涂金屬鋁膜，形成透明及反射的線柵。類似偏振片的作用，當(dāng)自然

9、光通過線柵后，和鋁線條平行的偏振被吸收而獲得偏振垂直鋁線條的平面偏振光。其原理是自然光中平行鋁線的電振動，易使在鋁線中產(chǎn)生感應(yīng)電流，等同于光被線柵吸收，而垂直鋁線的電場不易被吸收，得以通過。這思想是從微波引來的，所以有利于制作紅外光的起偏器。 馬呂斯定律 .-L.馬呂斯在1808年發(fā)現(xiàn):任何產(chǎn)生單一偏振光的器件，它們的偏振光的透過平面互相平行的透過光強最大,為I0?；ハ喑山?透過光強I=I0cos2。這就是馬呂斯定律。這是透過第一塊偏光鏡的電矢量的振幅，分解在第二塊透過平面的自然結(jié)果。設(shè)透過第一塊的電矢量振幅為E0，則透過第二塊的為EE0cos。將此式二次方，即為光強。 通過各向同性

10、分子的散射 自然光被微粒(分子,原子)所散射，如微粒是各向同性的,則在原始光垂直的任何方向上，散射光是平面偏振的，如微粒是各向異性的，則散射光是部分偏振光。設(shè)圖7中自然光沿x方向射向微粒O，由于微粒是各向同性的，微粒的感生偶極矩和入射光的電矢量是一致的。這偶極矩作強迫振動，輻射次波，就是散射光，在圖7中可以看出，散射光在垂直原始光的方向上，是平面偏振光，而在其他方向上是部分偏振光。 光入射到各向異性微粒上，由于被感應(yīng)的偶極矩與入射光的電矢量不是矢量關(guān)系而是張量關(guān)系，感生偶極矩與入射光電矢量方向不一致，所以發(fā)出的次波，在與原始光垂直的方向上不一定是平面偏振光，而一般是偏振程度不高或部分偏振光。 晴朗的天空，在垂直太陽光方向用偏振片觀察天空，可以發(fā)現(xiàn)天空光是部分偏振光，偏振片在一個