偏振光學(xué)和應(yīng)用詳解

偏振定義和表示方法

光是一種電磁波，其電場(chǎng)和磁場(chǎng)的振動(dòng)方向相互垂直，而我們把電場(chǎng)的振動(dòng)方向定義為光的偏振方向。偏振可分為線偏振、圓偏振和橢圓偏振。

電場(chǎng)方向定義偏振方向

對(duì)于線偏振光，電場(chǎng)始終沿一個(gè)特定的方向振動(dòng)。在下面第一個(gè)動(dòng)態(tài)圖中，如果取Z軸上的某一點(diǎn)，就是紅線的位置，可發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)一直沿Y軸振動(dòng)，所以這是Y方向的線偏振光。線偏振光可分解成兩個(gè)正交偏振分量。它們的振幅可能不同，但相位差為0或180度。

對(duì)于圓偏振光，電場(chǎng)的振動(dòng)軌跡可追溯出一個(gè)圓。在下面第二個(gè)動(dòng)態(tài)圖中，如果面向光源看去，Z軸上某個(gè)點(diǎn)上的電場(chǎng)一直以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，所以這是右旋圓偏振光；反之為左旋圓偏振光。圓偏振光也能分解成兩個(gè)正交分量。它們的振幅相同，而且相位差為90或-90度，分別對(duì)應(yīng)于右旋或左旋。

對(duì)于橢圓偏振，電場(chǎng)的振動(dòng)軌跡是一個(gè)橢圓，方向定義和圓偏振相同。兩個(gè)正交偏振分量的振幅不一定相等，相位差也不一定是特殊角度。

線偏振

圓偏振

橢圓偏振

偏振態(tài)有兩種圖形表示方法。

平面表示法：在二維直角坐標(biāo)系下畫一個(gè)橢圓，并人為規(guī)定它是右旋的。橢圓長(zhǎng)軸和x軸的夾角ψ叫做方位角，而橢圓度χ取決于短軸和長(zhǎng)軸之比。

邦加球：對(duì)于綠色箭頭所示的偏振矢量，它與赤道平面的夾角等于2χ，而它在赤道平面的投影與S?軸的夾角等于2ψ。

偏振橢圓

邦加球

對(duì)于線偏振和圓偏振：

• 橢圓度χ = 0度時(shí)，橢圓變成一條線，對(duì)應(yīng)于邦加球的赤道。方位角ψ從0到180度的變化相當(dāng)于繞赤道旋轉(zhuǎn)一圈。因此，邦加球的赤道表示不同方向的線偏振。
• 橢圓度χ = ±45度時(shí)，橢圓變成右旋或左旋的圓，對(duì)應(yīng)于邦加球的北極或南極點(diǎn)。這就是右旋和左旋圓偏振所處的位置。

本文開頭的視頻從3分45秒起形象地演示了不同偏振態(tài)對(duì)應(yīng)的橢圓、邦加球位置以及斯托克斯參數(shù)。Thorlabs PAX1000系列偏振態(tài)測(cè)量?jī)x能實(shí)時(shí)測(cè)量光束偏振，通過(guò)軟件界面同時(shí)展示偏振橢圓和邦加球的測(cè)量結(jié)果，還包含功率、偏振度、方位角、橢圓度和斯托克斯參數(shù)等等。

偏振光學(xué)組件

1. 偏振片用于濾出偏振方向平行于透光軸的線偏振光。Thorlabs偏振片的種類包括薄膜型、線柵型和晶體型等等。

偏振片把非偏振光變成線偏振光

偏振片的一個(gè)重要參數(shù)是消光比(ER)。當(dāng)非偏振光入射在偏振片上時(shí)，沿偏振軸透過(guò)的光與垂直于偏振軸透過(guò)的光之比為消光比。比值越高，透過(guò)的線偏振光越純。普通經(jīng)濟(jì)型偏振片的消光比一般在1000:1以上，而薄膜偏振片和晶體偏振片的消光比更高，可達(dá)10^5:1甚至10^7:1以上。

偏振片的其它參數(shù)和特性還有透過(guò)率，也就是沿偏振軸方向的透過(guò)率；通過(guò)和阻擋兩個(gè)方向上的損傷閾值，也就是平行或垂直于偏振軸兩個(gè)方向上能承受的最大功率密度；透射波前誤差；前后表面的平行度；清晰標(biāo)記的偏振透光軸。

下表大致比較了三種偏振片的參數(shù)。

2. 波片是用于調(diào)控偏振方向的光學(xué)元件，由石英或液晶等雙折射材料構(gòu)成，比如通過(guò)對(duì)準(zhǔn)石英的快軸和氟化鎂的慢軸構(gòu)成消色差波片；夾在兩片玻璃之間的零級(jí)聚合物波片；通過(guò)單片石英晶體構(gòu)成的多級(jí)波片；通過(guò)兩片多級(jí)石英波片構(gòu)成的零級(jí)波片。

雙折射材料包含快慢兩個(gè)主軸，沿快軸偏振的光比沿慢軸偏振的光具有更低的折射率，因此在波片中的傳播速度更快。當(dāng)一束偏振光進(jìn)入波片傳播時(shí)，沿快軸和慢軸的兩個(gè)正交分量之間將出現(xiàn)延遲，在通過(guò)波片后合成不同的偏振。波片的延遲量通常是半波或四分之一波，而且是針對(duì)特定波長(zhǎng)的，即使消色差波片也不能完全忽略波長(zhǎng)的影響。

半波片常用于旋轉(zhuǎn)偏振方向：輸出和輸入偏振的夾角等于輸入偏振和波片光軸的夾角的兩倍。四分之一波片常用于線偏振和圓偏振的轉(zhuǎn)換。本文開頭的視頻從15分08秒起非常形象地描述了兩種波片改變偏振方向的詳細(xì)過(guò)程。

半波片改變偏振的示意圖