偏振光研究2011.doc

光的偏振是指光的振动方向不变,或光矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆的现象。光的偏振现象最早是牛顿在1704年至1706年间引入光学的;马吕斯在1809年首先提出“光的偏振”这一术语,并在实验室发现了光的偏振现象;麦克斯韦在1865年至1873年间建立了光的电磁理论,从本质上说明了光的偏振现象。按电磁波理论,光是横波,它的振动方向和光的传播方向垂直,因此可以分成五种偏振态:自然光(非偏振光)、线偏振光、部分偏振光、园偏振光和椭圆偏振光。自然光是各方向的振幅相同的光,它的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内可取所有可能的方向,没有一个方向占有优势。若把所有方向的光振动都分解到相互垂直的两个方向上,则在这两个方向上的振动能量和振幅都相等。线偏振光是在垂直于传播方向的平面内,光矢量只沿一个固定方向振动。部分偏光可以看成自然光与线偏光混合而成,即它有某个方向的振幅占优势。园偏光和椭圆偏振光是光矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈圆或椭圆。通过对偏振光的研究人们发明和制造了一些偏振光的元件,如:偏振片、波片和各种偏振棱镜等。利用光的偏振现象在物理学方面可测量材料的厚度和折射率,可以了解材料的微观结构。力学上利用偏振光的干涉现象检测材料应力分布,进一步应用于建筑工程学方面就可以检测桥梁和水坝的安全度。实验原理为了研究光的偏振态和利用光的偏振特性进行各种分析和测量工作,需要各种偏振元件:产生偏振光的元件、改变光的偏振态的元件等,下面分类介绍。产生偏振光的元件在激光器发明之前,一般的自然光源产生的光都是非偏振光,因此要产生偏振光都要使用产生偏振光的元件。根据这些元件在实验中的作用,分为起偏器和检偏器。起偏器是将自然光变成线偏振光的元件,检偏器是用于鉴别光的偏振态的元件。在激光器谐振腔中可以利用布儒斯特角使输出的激光束是线偏振光。将自然光变成偏振光的方法有很多,一个方法是利用光在界面反射和透射时光的偏振现象。我们的先人在很早就已经对水平面的反射光有所研究,但定量的研究最早在1815年由布儒斯特完成。反射光中的垂直于入射面的光振动(称s分量)多于平行于入射面的光振动(称p分量);而透射光则正好相反。在改变入射角的时候,出现了一个特殊的现象,即入射角为一特定值时,反射光成为完全线偏振光(s分量)。折射光为部分偏振光,而且此时的反射光线和折射光线垂直,这种现象称之为布儒斯特定律。该方法是可以获得线偏振光的方法之一。如图1所示。因为此时,,,若n1=1(为空气的折射率),则(1)i0i0gn1n2图1布儒斯特定律原理图S分量P分量叫做布儒斯特角,所以通过测量布儒斯特角的大小可以测量介质的折射率。由以上介绍可以知道利用反射可以产生偏振光,同样利用透射(多次透射)也可以产生偏振光(玻璃堆)。图2晶体的双折射第二种是光学棱镜,如尼科耳棱镜、格兰棱镜等,它是利用晶体的双折射的原理制成的。在晶体中存在一个特殊的方向(光轴方向),当光束沿着这个方向传播时,光束不分裂,光束偏离这个方向传播时,光束将分裂为两束,其中一束光遵守折射定律叫做寻常光(o光),另一束光一般不遵守折射定律叫做非寻常光(e光)。o光和e光都是线偏振光(也叫完全偏振光),两者的光矢量的振动方向(在一般使用状态下)互相垂直。改变射向晶体的入射光线的方向可以找到光轴方向,沿着这个方向,o光和e光的传播速度相