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偏振與波片
更新時間:2020-12-08   點擊次數(shù):9780次

偏振與波片

 

波片

光與物質(zhì)中的原子或分子的相互作用與光的波長有關(guān)。這種相關(guān)性的一個體現(xiàn)是共振作用,可以通過物質(zhì)的色散方程描述。另一個體現(xiàn)是這種共振作用可以產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象,也就是物質(zhì)的折射率隨光的偏振方向發(fā)生改變。在某些晶體中,原子的規(guī)則排列會導致在不同方向上振動的電矢量具有不同的共振頻率。產(chǎn)生的一個結(jié)果是,不同偏振方向的光具有不同的折射率。與物質(zhì)的色散不同,雙折射比較容易避免,例如采用非晶的材料如玻璃,或者采用具有簡單對稱晶格結(jié)構(gòu)的晶體,如氯化鈉或砷化鎵。另一方面,我們也可以利用雙折射的性質(zhì)來改變或調(diào)制光的偏振態(tài)。這種光學元件通常被稱之為雙折射波片,或簡稱為波片。沿雙折射晶體的光軸方向截取一個薄片,當一束光入射到薄片上時,在兩個相互垂直的偏振方向上,光將展現(xiàn)出不同的折射率。相應(yīng)地,光的傳播速度也不同,分別對應(yīng)于快軸和慢軸。圖1所示為一束入射光的偏振方向和晶片的快軸方向平行,它在晶片內(nèi)具有大的相位速度。而沿與之正交的慢軸方向偏振的光,具有大的折射率以及小的相位速度。如圖2所示。


圖1


圖2

 

光在物質(zhì)中的傳播常數(shù)k=2πfn/c,表示光傳播單位距離后的相位改變。其中f是光的頻率,n是物質(zhì)的折射率,c是真空中的光速。當光傳輸距離L時,經(jīng)歷的相位改變可寫為φ =2πfnL/c。因此,圖1中沿快軸方向偏振的光經(jīng)過晶片后的相位變化是φfast= 2πfnfastL/c;圖2中沿晶片慢軸方向偏振的光的相位變化為φslow= 2πfnslowL/c。兩者的差被稱之為相位延遲,Γ= 2πf(nslow - nfast)L/c。Γ的單位是弧度,但更多以波的周期來表示。例如, Γ= 2π對應(yīng)全波波片,Γ= π對應(yīng)半波片,Γ=π/2對應(yīng)四分之一(1/4)波片,等等。圖12中,光分別沿晶片的快軸和慢軸方向偏振,穿過晶片后產(chǎn)生的相位延遲為(1+1/3)波長,波長的整數(shù)倍通常不做考慮,因此這個晶片等同于一個1/3波片。

半波片

現(xiàn)實中常用的波片是半波片(Γ = π)1/4波片(Γ = π/2)。半波片常用來旋轉(zhuǎn)線偏振光的偏振方向。


圖3

3所示,假定有一束線偏振光垂直入射到半波片上,偏振方向與波片的快軸成夾角θ。首先,我們把入射的光按偏振方向沿波片的快軸和慢軸方向進行分解。光在傳播過程中,沿快軸和慢軸的偏振部分經(jīng)歷不同的折射率和相位延遲。在穿過某個特定厚度后,二者相位差達到π,也就是半個周期。當沿快軸偏振的光在經(jīng)歷波長的整數(shù)倍后再次達到向上大,而沿慢軸偏振的光因相位延遲,電矢量則指向相反方向。二者合并后的終效果是,光的偏振方向相對于入射時旋轉(zhuǎn)了。

半波片經(jīng)常用來旋轉(zhuǎn)激光的偏振方向,尤其是當激光器比較大,本身不易被旋轉(zhuǎn)時。例如大部分大型的離子激光器的出射都是垂直偏振的。如果希望得到水平偏振,只需要使用一個半波片,并使它的快軸或慢軸與垂直方向成45°夾角放置即可。如果您的半波片沒有標明軸向或者標記被擋住,可通過如下方法確定:首先在光路中放置一個偏振器,旋轉(zhuǎn)它以*屏蔽入射激光,表示偏振器的偏振方向是水平的。然后把半波片放置在偏振器前面,保證垂直入射。旋轉(zhuǎn)半波片使光再次被偏振器屏蔽。這時波片的快軸或慢軸方向與入射激光的偏振方向重合,從而不對它產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)作用。之后把半波片朝任一方向旋轉(zhuǎn)45°,入射激光的偏振會相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)90°,得到水平偏振??梢园哑衿鞯钠穹较蛘{(diào)到垂直,看是否可以屏蔽激光,以驗證其水平偏振。若希望旋轉(zhuǎn)激光的偏振方向到其他任意角度,只需把波片旋轉(zhuǎn)這個角度的一半就可以了。兩款比較方便的波片固定支架請參見我們的RSP-1T  GM-1RA產(chǎn)品。

1/4波片

1/4波片通常用來把線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光,或者反之。要實現(xiàn)這個目的,需要使入射光的偏振方向同波片的軸向成45°夾角,從而使其沿波片的快軸和慢軸方向的分量相同,如圖4所示。


圖4

調(diào)節(jié)1/4波片的過程與上面描述的半波片的調(diào)節(jié)過程類似:首先,在光路中放入一個偏振器,旋轉(zhuǎn)它以屏蔽入射光,從而確定入射光的偏振方向。然后,在偏振器前放入1/4波片,保持光的垂直入射。旋轉(zhuǎn)波片,并再次時光被偏振器屏蔽。然后,朝任一方向旋轉(zhuǎn)波片45°,得到圓偏振光。這時穿過偏振器的光強應(yīng)該只有入射時的一半,而另一半則被反射或吸收??梢酝ㄟ^如下方法判斷圓偏振光的質(zhì)量:當旋轉(zhuǎn)偏振器時,穿過的光強應(yīng)該始終保持不變。若光強發(fā)生改變,說明使用的波片在該波長上并不是嚴格的1/4波片,得到的光具有橢圓偏振??梢允共ㄆ鄬獾娜肷浞较蛏晕A斜,轉(zhuǎn)動偏振器并檢測通過的光強是否穩(wěn)定。重復這個步驟可能會找到合適的入射角度,補償波片延遲的偏差。


圖5

您或許想知道除半波片和1/4波片之外的其他波片對光的偏振性有何影響。圖5所示的是一束線偏振光在經(jīng)過具有不同相位延遲的波片后的偏振態(tài)改變,入射光的偏振方向與波片的軸向成任意夾角。當光穿過半波片(相位延遲π)時,偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn),并保持線偏振性。當相位延遲是或其整數(shù)倍時,光的偏振不發(fā)生任何改變。穿過其他相位延遲的波片均產(chǎn)生不同取向的橢圓偏振光。請注意,這里1/4波片(相位延遲π/23π/2)并沒有產(chǎn)生圓偏振光,因為入射光與波片軸向成任意夾角,造成光在波片的快軸和慢軸上的分量不同。要產(chǎn)生圓偏振光,入射光的偏振方向須和1/4波片的軸向準確 45°夾角。

 

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