線偏振光

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更新時間: 2013-08-30

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在光的傳播方向上,光矢量只沿一個固定的方向振動,這種光稱為平面偏振光引,由於光矢量端點的軌跡為一直線,又叫做線偏振光。光矢量的方向和光的傳播方向所構成的平面稱為振動面。線偏振光的振動面固定不動,不會發生旋轉。極大多數光源都不發射線偏振光而發射自然光,需要經過下列措施才能獲得線偏振光。

定義
在透明媒質界面上的折射和反射 讓自然光以偏化角入射在二種不同透明媒質的界面時,可得完全偏振的反射光與部分偏振的透射光。以空氣與玻璃為例,根據菲涅耳公式(見光在分界面上的折射和反射),此偏化角(布儒斯特角)為iP=arctgn。如n=1.5,iP=57°。最簡單產生與檢查偏振光的偏振鏡是用安置如圖1的兩塊玻璃。最好用黑色玻璃,或用一般玻璃,反面磨毛塗黑,以吸收透射光及阻擋從玻璃後面射來的光。自然光先以iP角射向下面一塊玻璃,產生偏振垂直入射面的反射光射向第二塊玻璃。當上面的玻璃的入射面和下面的平行時,則可從上面玻璃見到反射光。但如上下玻璃的入射面互相垂直,由於垂直第一塊入射面的偏振成為平行第二塊入射面的偏振,不能被反射,觀察者雖隨第二塊轉90°角,亦看不到反射光,得黑視場。這裡下面一塊稱起偏鏡,上面一塊稱檢偏鏡。只要能產生偏振光的一對器件,都可以達到起偏與檢偏作用。這偏光鏡雖簡單,但入射光與出射光不在一條直線上,使用不便。如利用一堆玻璃片,作如圖2的布置使入射角也是iP。由於經多片玻璃反射,透射光接近偏振光,而且與入射光在同一個方向上,很方便。所用的玻璃堆片每片的質量要好,表面平,光潔度好,以減少雜散光。
雙折射晶體
通過雙折射晶體 有很多自然界的晶體,如方解石(又名冰洲石),石英(又名水晶)等等,當自然光入射后,分解為二束偏振光,故名雙折射晶體。以方解石為例。方解石晶體外形如圖3a。通過三個鈍角匯合的頂角並和三面成等角的方向稱光軸。光沿光軸方向傳播,不產生雙折射。沿其他方向,都產生雙折射。以包含光軸並與稜體自然裂開面垂直的一個截面為例,如圖3b。這截面稱主截面。自然光在主截面內分解為尋常光(簡稱o光),與非常光(簡稱e光)。o光遵守折射定律,垂直通過晶體,其偏振垂直主截面。e光不遵守折射定律,偏離o光而出射,其偏振平行主截面。這兩偏振光進入空氣中后,為方便計,仍稱o光與e光。o光與e光相距很近,如光束較粗,無法分開。為了只要一種偏振光,需採用以下稜鏡。
尼科耳稜鏡  取長為寬約三倍的方解石, 將兩端面磨去一部分,使在主截面上銳角由71°減到68°。再將晶體沿著短對角線切開,一分為二。再將切開面磨平拋光,然後再用加拿大樹膠粘合在一起。對於鈉黃光λ=5893┱,e光折射率為ne=1.48641,o光折射率no=1.65836,而加拿大樹膠折射率為nc=1.550,介乎二者之間。當自然光從端面入射稜體,到達樹膠層斜面,由於 e光折射率小,可以透過。而o光折射率大,到達樹膠層時入射角大於全反射角,被樹膠層全反射到邊緣,被黑色塗層吸收。透到空氣中只有e光,其偏振從出射方向的晶體端面看,是平行端面的短對角線的。入射、出射光束的發散角不能很大。出射光束髮散角最大在 24°左右,視所用光的波長而定。再大會使o光在一邊透過,e光在另一邊全反射,使偏振不純。在紫外線區工作,要將加拿大樹膠換以甘油或蓖麻油。尼科耳稜鏡的缺點是,由於兩端是斜面,入射光與透射光不在一條直線上。當轉動稜鏡時,透射光線隨著轉動而移動,接收處的位置要隨著調動,很不方便。
格蘭-湯普森稜鏡  將方解石或石英磨成光軸平行棱邊的直角三稜鏡兩塊,再用加拿大樹膠粘合如圖5。兩稜鏡中也可夾一空氣薄層。光從端面垂直入射,o光在膠面上全反射,而e光能透過。由於光垂直入射端面,反射較小,透射光強。並且轉動稜鏡,出射像可保持沒有橫向移動。
阿倫氏稜鏡  將方解石磨成三塊三稜鏡,然後粘合在一起,如圖6所示,通光面積,比格蘭-湯普森稜鏡大。空間的發散角約26°。有些高級的偏光顯微鏡的上、下偏光鏡,常用這種稜鏡。
雙像稜鏡  同時產生o、e兩種偏振光。但它們的分離的角度比天然方解石稜體的o、e光較大。兩光可以同時用,亦可分開用。
雙色性晶體
通過雙色性(又名二向色性)晶體某些雙折射晶體對二種互相垂直的偏振光具有不同的吸收。例如電氣石吸收o光比吸收e光大得多。白光經過 1毫米厚的電氣石晶片,幾乎全部o光被吸收而e光只略微被吸收。透過的偏振光略帶黃綠色,足見吸收對波長還有依賴關係。
偏振片  W.B.赫勒帕思在1852年發現碘化硫酸金雞納(奎寧)針狀結晶有雙色性吸收。厚約 0.1毫米的晶體已能完全吸收o光。但晶粒微小,當時無法用以產生偏振光。直至1934年才有人將碘化硫金雞納浮懸在膠體中,當膠體拉成薄膜時這些微小晶體隨著拉伸方向排列整齊,起了一大片雙色性晶體的作用。等薄膜干后,把它夾在二塊平面玻璃片之間,製成大面積獲得偏振光的器件。也有用聚乙烯醇薄膜浸透了碘製成。這類薄膜片,商品名Polaroid,稱偏振片。現在由於塑料工業的發展,已有很多種變種偏振片。質量好的,可通過入射光中一個偏振光的80%,而通過另一個偏振光小於1%。兩個偏振片相互垂直,通過全部入射光的0.01%,還不能全黑。一般產品,還達不到這指標。所以精密儀器中,還是採用上述稜鏡。雖然偏振片有偏振不純及光較弱的缺點,但它幾乎具有近乎180°的孔徑。又不像自然晶體受大小的限制,幾乎可以做得直徑大至數十厘米的尺寸。而且產品成本低廉,可大量生產。所以在很多實際應用中,小如觀看立體電影的偏光眼鏡,較簡單的偏光顯微鏡的上下偏光鏡,攝影用的消反光的附加鏡頭,大至光彈儀的起偏與檢偏鏡,都用這種薄膜偏振片。
線柵起偏器  在1960年有人在每毫米約2160條的透明光柵上鍍塗金屬鋁膜,形成透明及反射的線柵。類似偏振片的作用,當自然光通過線柵后,和鋁線條平行的偏振被吸收而獲得偏振垂直鋁線條的平面偏振光。其原理是自然光中平行鋁線的電振動,易使在鋁線中產生感應電流,等同於光被線柵吸收,而垂直鋁線的電場不易被吸收,得以通過。這思想是從微波引來的,所以有利於製作紅外光的起偏器。
馬呂斯定律  ┶.-L.馬呂斯在1808年發現:任何產生單一偏振光的器件,它們的偏振光的透過平面互相平行的透過光強最大,為I0。互相成α角,透過光強I=I0cos2α。這就是馬呂斯定律。這是透過第一塊偏光鏡的電矢量的振幅,分解在第二塊透過平面的自然結果。設透過第一塊的電矢量振幅為E0,則透過第二塊的為E=E0cosα。將此式二次方,即為光強。
通過各向同性分子的散射  自然光被微粒(分子,原子)所散射,如微粒是各向同性的,則在原始光垂直的任何方向上,散射光是平面偏振的,如微粒是各向異性的,則散射光是部分偏振光。設圖7中自然光沿x方向射向微粒O,由於微粒是各向同性的,微粒的感生偶極矩和入射光的電矢量是一致的。這偶極矩作強迫振動,輻射次波,就是散射光,在圖7中可以看出,散射光在垂直原始光的方向上,是平面偏振光,而在其他方向上是部分偏振光。
光入射到各向異性微粒上,由於被感應的偶極矩與入射光的電矢量不是矢量關係而是張量關係,感生偶極矩與入射光電矢量方向不一致,所以發出的次波,在與原始光垂直的方向上不一定是平面偏振光,而一般是偏振程度不高或部分偏振光。
晴朗的天空,在垂直太陽光方向用偏振片觀察天空,可以發現天空光是部分偏振光,偏振片在一個取向光亮度大,在與之垂直取向亮度小。這是由於散射光進行多次散射,另一方面由於大氣中有各向異性小微粒。
在人為安排的各向同性氣體的散射中,可在橫向得到偏振光。這也證明了,是光的電矢量而不是磁矢量,起了光的散射作用。
利用光的散射來產生需要的偏振光沒有實際意義。但反過來,利用散射光的偏振程度可以估計散射微粒的各向異性程度。

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