偏振与波片

波片

光与物质中的原子或分子的相互作用与光的波长有关。这种相关性的一个体现是共振作用，可以通过物质的色散方程描述。另一个体现是这种共振作用可以产生双折射现象，也就是物质的折射率随光的偏振方向发生改变。在某些晶体中，原子的规则排列会导致在不同方向上振动的电矢量具有不同的共振频率。产生的一个结果是，不同偏振方向的光具有不同的折射率。与物质的色散不同，双折射比较容易避免，例如采用非晶的材料如玻璃，或者采用具有简单对称晶格结构的晶体，如氯化钠或砷化镓。另一方面，我们也可以利用双折射的性质来改变或调制光的偏振态。这种光学元件通常被称之为双折射波片，或简称为波片。沿双折射晶体的光轴方向截取一个薄片，当一束光入射到薄片上时，在两个相互垂直的偏振方向上，光将展现出不同的折射率。相应地，光的传播速度也不同，分别对应于快轴和慢轴。图1所示为一束入射光的偏振方向和晶片的快轴方向平行，它在晶片内具有大的相位速度。而沿与之正交的慢轴方向偏振的光，具有大的折射率以及小的相位速度。如图2所示。

图1

图2

光在物质中的传播常数k=2πfn/c，表示光传播单位距离后的相位改变。其中f是光的频率，n是物质的折射率，c是真空中的光速。当光传输距离L时，经历的相位改变可写为φ =2πfnL/c。因此，图1中沿快轴方向偏振的光经过晶片后的相位变化是φ_fast= 2πfn_fastL/c；图2中沿晶片慢轴方向偏振的光的相位变化为φ_slow= 2πfn_slowL/c。两者的差被称之为相位延迟，Γ= 2πf(n_slow - n_fast)L/c。Γ的单位是弧度，但更多以波的周期来表示。例如， Γ= 2π对应全波波片，Γ= π对应半波片，Γ=π/2对应四分之一（1/4）波片，等等。图1和2中，光分别沿晶片的快轴和慢轴方向偏振，穿过晶片后产生的相位延迟为(1+1/3)波长，波长的整数倍通常不做考虑，因此这个晶片等同于一个1/3波片。

半波片

现实中常用的波片是半波片(Γ = π)和1/4波片(Γ = π/2)。半波片常用来旋转线偏振光的偏振方向。

图3

图3所示，假定有一束线偏振光垂直入射到半波片上，偏振方向与波片的快轴成夹角θ。首先，我们把入射的光按偏振方向沿波片的快轴和慢轴方向进行分解。光在传播过程中，沿快轴和慢轴的偏振部分经历不同的折射率和相位延迟。在穿过某个特定厚度后，二者相位差达到π，也就是半个周期。当沿快轴偏振的光在经历波长的整数倍后再次达到向上大，而沿慢轴偏振的光因相位延迟，电矢量则指向相反方向。二者合并后的终效果是，光的偏振方向相对于入射时旋转了2θ。

半波片经常用来旋转激光的偏振方向，尤其是当激光器比较大，本身不易被旋转时。例如大部分大型的离子激光器的出射都是垂直偏振的。如果希望得到水平偏振，只需要使用一个半波片，并使它的快轴或慢轴与垂直方向成45°夹角放置即可。如果您的半波片没有标明轴向或者标记被挡住，可通过如下方法确定：首先在光路中放置一个偏振器，旋转它以*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，保证垂直入射。旋转半波片使光再次被偏振器屏蔽。这时波片的快轴或慢轴方向与入射激光的偏振方向重合，从而不对它产生旋转作用。之后把半波片朝任一方向旋转45°，入射激光的偏振会相应地旋转90°，得到水平偏振。可以把偏振器的偏振方向调到垂直，看是否可以屏蔽激光，以验证其水平偏振。若希望旋转激光的偏振方向到其他任意角度，只需把波片旋转这个角度的一半就可以了。两款比较方便的波片固定支架请参见我们的RSP-1T 或 GM-1RA产品。

1/4波片

1/4波片通常用来把线偏振光转变为圆偏振光，或者反之。要实现这个目的，需要使入射光的偏振方向同波片的轴向成45°夹角，从而使其沿波片的快轴和慢轴方向的分量相同，如图4所示。

图4

调节1/4波片的过程与上面描述的半波片的调节过程类似：首先，在光路中放入一个偏振器，旋转它以屏蔽入射光，从而确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。旋转波片，并再次时光被偏振器屏蔽。然后，朝任一方向旋转波片45°，得到圆偏振光。这时穿过偏振器的光强应该只有入射时的一半，而另一半则被反射或吸收。可以通过如下方法判断圆偏振光的质量：当旋转偏振器时，穿过的光强应该始终保持不变。若光强发生改变，说明使用的波片在该波长上并不是严格的1/4波片，得到的光具有椭圆偏振。可以使波片相对光的入射方向稍微倾斜，转动偏振器并检测通过的光强是否稳定。重复这个步骤可能会找到合适的入射角度，补偿波片延迟的偏差。

图5

您或许想知道除半波片和1/4波片之外的其他波片对光的偏振性有何影响。图5所示的是一束线偏振光在经过具有不同相位延迟的波片后的偏振态改变，入射光的偏振方向与波片的轴向成任意夹角。当光穿过半波片（相位延迟π）时，偏振方向发生旋转，并保持线偏振性。当相位延迟是2π或其整数倍时，光的偏振不发生任何改变。穿过其他相位延迟的波片均产生不同取向的椭圆偏振光。请注意，这里1/4波片（相位延迟π/2及3π/2）并没有产生圆偏振光，因为入射光与波片轴向成任意夹角，造成光在波片的快轴和慢轴上的分量不同。要产生圆偏振光，入射光的偏振方向须和1/4波片的轴向准确成 45°夹角。

森泉为您的科研事业添砖加瓦：

1）  激光控制：激光电流源、激光器温控器、激光器控制、伺服设备与系统等等

2）  探测器：光电探测器、单光子计数器、单光子探测器、CCD、光谱分析系统等等

3）  定位与加工：纳米定位系统、微纳运动系统、多维位移台、旋转台、微型操作器等等

4）  光源：半导体激光器、固体激光器、单频激光器、单纵模激光器、窄线宽激光器、光通讯波段激光器、CO2激光器、中红外激光器、染料激光器、飞秒超快激光器等等

5）  光机械件：用于光路系统搭建的高品质无应力光机械件，如光学调整架、镜架、支撑杆、固定底座等等

6）  光学平台：主动隔振平台、气浮隔振台、实验桌、刚性工作台、面包板、隔振、隔磁、隔声综合解决方案等等

7）  光学元件：各类晶体、光纤、偏转镜、反射镜、透射镜、半透半反镜、滤光片、衰减片、玻片等等

8） 染料：激光染料、荧光染料、光致变色染料、光致发光染料、吸收染料等等