偏振光的基本知识

(一)偏振光的获得

物质发出的光波具有一切可能的振动方向，且各方向振动矢量的大小相等，称为自然光。与自然光不同，当光矢量在一个固定的平面内只沿一个固定方向作振动，这种光称为线偏振光(或平面偏振光)，简称偏振光。偏振光的光矢量振动方向和传播方向所构成的面称为振动面。

自然光通过尼科尔棱镜或偏振片可获得偏振光。其原理简述于下：

由物理光学可知：一束自然光射入光学各向异性晶体会发生分解为两束折射光的现象，此即双折射现象。此两束折射光的特性是：

(1)一束光线在晶体内的传播方向遵从折射定律，称为寻常光(o光)；另一束光线在晶体内行进方向不遵从折射定律，称为非寻常光(e光)。

(2)o光、e光均为线偏振光，但其传播速度不同，折射率不等。

(3)此两束光(o光和e光)频率相同、振动面相互垂直。

在某些晶体内，o光和e光被晶体吸收的程度有很大差别。如电气石(有几种，都是化学成分各不相同的硅酸硼化物，例如NaFe₃B₃Al₆Si₆O₂₂(OH)₄)对o光有强烈的吸收作用，而对e光则吸收的很少。于是，当自然光射在电气石晶体片上时，晶体内分解的o光，在很短的路程上则全部被吸收，因而得到与晶体内e光相应的线偏振光。晶体对o光、e光的不同吸收现象称为晶体的二向色性。除电气石外，还有一些有机化合物晶体，如硫酸碘奎宁亦有二向色性。故常用来制做偏振片。方法是在拉伸了的赛璐璐或其他透明薄片上涂一层极薄(0.1mm)的硫酸碘奎宁晶粒、基片的应力可使晶粒的光轴定向排列起来。目前，这种有机的二向色性晶体己成为产生大面积线偏振光的主要材料。缺点是薄膜及晶体粉末带有一定颜色，自然光透过被吸收较多。

尼科尔(Nicol)棱镜也是利用双折射现象得到偏振光的光具。尼科尔棱镜由长方形方解石制成。方法是(见图1)先将两端天然面AC，MN分别与底边CN，AM磨成68°角，然后对角剖开成为两个直角棱镜，再用加拿大胶沿剖面粘合一体。自然光射入尼科尔棱镜将分解成o光、e光，o光以76°的入射角射在加拿大树胶层上，这个角已超过了临介角，因而不能穿过胶层而发生全反射，反射光被棱镜涂黑的CN面吸收；e光不产生全反射而穿过棱镜，因而得到与晶体内。光相应的偏振光。用天然晶体制成的偏振光具对可见光有全部透明的性质，并能均匀起偏，但产生的偏振光面积不大，成本较高。

图1

(二)偏振光的干涉现象—圆偏振和椭圆偏振

能获得偏振光的光具称为偏光镜。当两个偏光镜获得的偏振光振动方向相互垂直时，即所谓正交偏振光位置时，如图2(a)所示，偏光镜P₁、P₂的振动方向相互垂直，自然光不能通过，呈现完全黑暗现象，亦称消光现象；而当在正交的偏光镜P₁与P₂之间放一块晶体切片(各向异性晶体)，并使其光轴方向与入射光传播方向垂直，如图2(b)所示，当光线从P₁正入射到这一系统时，发现第二块偏光镜P₂上有光线透过。

图2

这里，晶片起什么作用呢?由于晶片是双折射晶体，偏振光垂直晶体光轴入射后将分解为平行光轴的e光和垂直光轴的o光，其振幅分别为(见图3)：

图3

o光：a=Asinθ；e光：b=Acosθ

由于o光、e光在晶体内传播速度不同(e光落后于o光)，线偏振光通过厚度为d的晶片后将产生位相差△φ：

o光：a=Asinθ；e光：b=Acosθ

由于o光、e光在晶体内传播速度不同(e光落后于o光)，线偏振光通过厚度为d的

晶片后将产生位相差△φ：

式中  △φ—光程差；

          λ—入射光波长；

          no，ne—分别为o光、e光在晶体内的折射率；

           d—晶体切片的厚度。

因此，o光的振幅x=asinwt(设o光初位相为零)

e光的振幅：bsin(wt-△φ)

两个位相差为△够的垂直振动的合成为：

此即一般的椭圆方程。显然，随位相差的不同椭圆度△φ亦不同。我们称线偏振光垂直入射晶片时，产生两个振动方向互相垂直的，振动频率相同，且有固定位相差(△φ)的两个线偏振光迭加所合成的椭圆偏振光的现象为偏振光的干涉现象。

现在讨论晶片厚度对偏振光干涉现象的影响：

(1)当晶片厚度使得。光、e光有λ/4的光程差时，

则有

即两个线偏振光的合成为一正椭圆，或者说出射光矢量的终点描出的轨迹是一正椭圆，正椭圆的长短半轴分别为a和b。

使得o光、e光产生λ/4光程差的晶片称为1/4波片。如果线偏光与晶体光轴成45°入射至1/4波片，则∵θ=45°，a=b=A/2

∴x²+y²=a²

(2)当晶片厚度使得o光和e光产生冬光程差，称为1/2波片。这时：

则有x=-a/b.y。

即出射光仍为线偏振光，不过振动方向转动90°，与原入射光偏振方向垂直。

(3)当波片厚度使得o光和e光产生1λ光程差时，称为全波片。这时：

此时出射光仍为线偏振光，振动方向与原入射光振动方向相同。

(三)偏振状态的鉴别

产生偏振光的偏光镜叫“起偏镜”，为了分辨光的偏振状态，在起偏镜后加入同样一个偏光镜，它能鉴别起偏镜造成的偏振光，这个偏光镜叫“检偏镜”。不同状态的偏振光通过检偏镜后，将有不同的光强度变化规律：

(1)线偏振光

(1)线偏振光

如图3，当起偏镜P₁与检偏镜P₂成正交位置时，线偏振光不能通过，产生消光现象；当起偏镜P₁与检偏镜P₂成平行位置时，通过检偏镜的光线最强；当起偏镜与检偏镜为其他任意角度时只有部分光线可通过。因此，随起偏镜与检偏镜位置的变化，每360°交替出现两次光强度最大和消光。

图4

(2)圆偏振光

不论检偏镜的位置如何，总有一定等量的光线通过，光的强度不变，无消光现象。

(3)椭圆偏振光

光的强度随检偏镜的位置而改变。当椭圆长轴与检偏镜振动方向(即透光方向)一致时，光的强度最大；当椭圆短轴与检偏镜振动方向一致时，光的强度最小。但不发生消光现象(图5)。

图5

在金相研究中常常需要鉴别光的偏振状态，我们就是通过光的强度随检偏镜位置变化的规律来推论入射光的偏振状态。