偏振與波片

波片

光與物質中的原子或分子的相互作用與光的波長有關。這種相關性的一個體現是共振作用，可以通過物質的色散方程描述。另一個體現是這種共振作用可以產生雙折射現象，也就是物質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。產生的一個結果是，不同偏振方向的光具有不同的折射率。與物質的色散不同，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構的晶體，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來改變或調制光的偏振態(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，光將展現出不同的折射率。相應地，光的傳播速度也不同，分別對應于快軸和慢軸。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

光在物質中的傳播常數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是物質的折射率，c是真空中的光速。當光傳輸距離L時，經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過晶片后的相位變化是φ_fast= 2πfn_fastL/c；圖2中沿晶片慢軸方向偏振的光的相位變化為φ_slow= 2πfn_slowL/c。兩者的差被稱之為相位延遲，Γ= 2πf(n_slow - n_fast)L/c。Γ的單位是弧度，但更多以波的周期來表示。例如， Γ= 2π對應全波波片，Γ= π對應半波片，Γ=π/2對應四分之一（1/4）波片，等等。圖1和2中，光分別沿晶片的快軸和慢軸方向偏振，穿過晶片后產生的相位延遲為(1+1/3)波長，波長的整數倍通常不做考慮，因此這個晶片等同于一個1/3波片。

半波片

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

圖3

圖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歷波長的整數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了2θ。

半波片經常用來旋轉激光的偏振方向，尤其是當激光器比較大，本身不易被旋轉時。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，從而不對它產生旋轉作用。之后把半波片朝任一方向旋轉45°，入射激光的偏振會相應地旋轉90°，得到水平偏振?？梢园哑衿鞯钠穹较蛘{到垂直，看是否可以屏蔽激光，以驗證其水平偏振。若希望旋轉激光的偏振方向到其他任意角度，只需把波片旋轉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 或 GM-1RA產品。

1/4波片

1/4波片通常用來把線偏振光轉變?yōu)閳A偏振光，或者反之。要實現這個目的，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

調節(jié)1/4波片的過程與上面描述的半波片的調節(jié)過程類似：首先，在光路中放入一個偏振器，旋轉它以屏蔽入射光，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。旋轉波片，并再次時光被偏振器屏蔽。然后，朝任一方向旋轉波片45°，得到圓偏振光。這時穿過偏振器的光強應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量：當旋轉偏振器時，穿過的光強應該始終保持不變。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，并保持線偏振性。當相位延遲是2π或其整數倍時，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/2及3π/2）并沒有產生圓偏振光，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。要產生圓偏振光，入射光的偏振方向須和1/4波片的軸向準確成 45°夾角。

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