偏(pian)振與波(bo)片

偏(pian)振與波(bo)片

波片

光與物(wu)質中(zhong)的原子(zi)或(huo)分(fen)子(zi)的相互(hu)作用(yong)與光的波長有關(guan)。這(zhe)種相關(guan)性(xing)的壹個(ge)體(ti)現(xian)是(shi)共(gong)振作(zuo)用，可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)物質的色散(san)方程描(miao)述(shu)。另(ling)壹個(ge)體(ti)現(xian)是(shi)這(zhe)種共(gong)振作(zuo)用可(ke)以(yi)產生(sheng)雙(shuang)折(zhe)射(she)現(xian)象，也(ye)就(jiu)是(shi)物(wu)質的折(zhe)射(she)率隨光的偏(pian)振方向發生(sheng)改變。在某(mou)些晶體中(zhong)，原子(zi)的規則(ze)排(pai)列會導致(zhi)在不(bu)同(tong)方向上振動的電矢量具有(you)不(bu)同的共(gong)振頻(pin)率(lv)。產生(sheng)的壹個(ge)結(jie)果(guo)是(shi)，不(bu)同偏(pian)振方向的光具有(you)不(bu)同的折(zhe)射(she)率。與物(wu)質的色散(san)不同，雙(shuang)折(zhe)射(she)比(bi)較容(rong)易(yi)避免(mian)，例(li)如(ru)采(cai)用非晶的材(cai)料如(ru)玻(bo)璃，或者(zhe)采用(yong)具有(you)簡(jian)單(dan)對(dui)稱(cheng)晶(jing)格(ge)結(jie)構(gou)的晶體(ti)，如(ru)氯化鈉(na)或砷(shen)化鎵(jia)。另(ling)壹方面，我(wo)們也可(ke)以(yi)利(li)用(yong)雙(shuang)折(zhe)射(she)的性(xing)質來改變或調(tiao)制(zhi)光的偏(pian)振態(tai)。這種光學元(yuan)件(jian)通(tong)常(chang)被稱(cheng)之為雙(shuang)折(zhe)射(she)波片，或(huo)簡稱(cheng)為波片。沿(yan)雙(shuang)折(zhe)射(she)晶體的光軸方向截(jie)取(qu)壹個(ge)薄(bo)片，當(dang)壹束(shu)光入射(she)到(dao)薄(bo)片上(shang)時，在兩(liang)個(ge)相互(hu)垂直的偏(pian)振方向上，光將展現(xian)出不同的折(zhe)射(she)率。相應(ying)地(di)，光的傳(chuan)播速(su)度也(ye)不同，分(fen)別(bie)對(dui)應於快(kuai)軸和慢軸(zhou)。圖1所示(shi)為壹束(shu)入(ru)射光的偏(pian)振方向和晶片的快(kuai)軸方向平(ping)行(xing)，它(ta)在晶(jing)片內具有(you)大的相位(wei)速度(du)。而(er)沿(yan)與之正交的慢軸(zhou)方向偏(pian)振的光，具有(you)大的折(zhe)射(she)率以及小的相位(wei)速度(du)。如(ru)圖(tu)2所示(shi)。

圖(tu)1

圖2

光在物(wu)質中(zhong)的傳(chuan)播常(chang)數k=2πfn/c，表(biao)示(shi)光傳(chuan)播單(dan)位(wei)距離(li)後(hou)的相位(wei)改變。其中(zhong)f是(shi)光的頻(pin)率(lv)，n是(shi)物(wu)質的折(zhe)射(she)率，c是(shi)真(zhen)空中(zhong)的光速。當(dang)光傳(chuan)輸(shu)距離(li)L時，經歷(li)的相位(wei)改變可(ke)寫(xie)為φ =2πfnL/c。因(yin)此(ci)，圖1中(zhong)沿(yan)快(kuai)軸方向偏(pian)振的光經過(guo)晶(jing)片後(hou)的相位(wei)變化是(shi)φ_fast= 2πfn_fastL/c；圖2中(zhong)沿(yan)晶片慢軸(zhou)方向偏(pian)振的光的相位(wei)變化為φ_slow= 2πfn_slowL/c。兩(liang)者(zhe)的差被稱(cheng)之為相位(wei)延(yan)遲，Γ= 2πf(n_slow - n_fast)L/c。Γ的單(dan)位(wei)是(shi)弧(hu)度，但更(geng)多以(yi)波的周(zhou)期來表(biao)示(shi)。例(li)如(ru)， Γ= 2π對應全(quan)波(bo)波(bo)片，Γ= π對應半(ban)波(bo)片，Γ=π/2對應四(si)分(fen)之壹（1/4）波片，等(deng)等(deng)。圖1和2中(zhong)，光分(fen)別(bie)沿(yan)晶片的快(kuai)軸和慢軸(zhou)方向偏(pian)振，穿(chuan)過晶片後(hou)產生(sheng)的相位(wei)延(yan)遲為(1+1/3)波長，波長的整數倍通(tong)常(chang)不做考慮，因(yin)此(ci)這個(ge)晶(jing)片等(deng)同於壹(yi)個(ge)1/3波片。

半(ban)波(bo)片

現(xian)實中(zhong)常(chang)用的波片是(shi)半(ban)波(bo)片(Γ = π)和1/4波片(Γ = π/2)。半(ban)波(bo)片常(chang)用來旋(xuan)轉(zhuan)線偏(pian)振光的偏(pian)振方向。

圖3

圖3所示(shi)，假(jia)定有(you)壹(yi)束(shu)線偏(pian)振光垂直入(ru)射到半(ban)波(bo)片上(shang)，偏(pian)振方向與波(bo)片的快(kuai)軸成(cheng)夾角θ。首(shou)先(xian)，我們把(ba)入射(she)的光按偏(pian)振方向沿(yan)波片的快(kuai)軸和慢軸(zhou)方向進行(xing)分(fen)解。光在傳(chuan)播過(guo)程中(zhong)，沿(yan)快(kuai)軸和慢軸(zhou)的偏(pian)振部分(fen)經歷(li)不(bu)同的折(zhe)射(she)率和相位(wei)延(yan)遲。在穿(chuan)過(guo)某(mou)個(ge)特(te)定厚度後(hou)，二(er)者(zhe)相位(wei)差達到(dao)π，也就是(shi)半(ban)個(ge)周(zhou)期。當沿(yan)快(kuai)軸偏(pian)振的光在經(jing)歷(li)波(bo)長的整數倍後(hou)再次(ci)達到(dao)向上大，而(er)沿(yan)慢軸(zhou)偏(pian)振的光因(yin)相位(wei)延(yan)遲，電矢量則(ze)指(zhi)向相反方向。二(er)者(zhe)合並(bing)後(hou)的終(zhong)效(xiao)果(guo)是(shi)，光的偏(pian)振方向相對(dui)於(yu)入射(she)時旋(xuan)轉(zhuan)了2θ。

半(ban)波(bo)片經(jing)常用(yong)來旋(xuan)轉(zhuan)激光的偏(pian)振方向，尤其(qi)是(shi)當(dang)激光器比(bi)較大，本身不(bu)易(yi)被旋(xuan)轉(zhuan)時。例(li)如(ru)大部分(fen)大型(xing)的離子(zi)激光器的出射都是(shi)垂直偏(pian)振的。如(ru)果(guo)希望得到(dao)水(shui)平(ping)偏(pian)振，只(zhi)需要使用壹個(ge)半(ban)波(bo)片，並(bing)使(shi)它(ta)的快(kuai)軸或(huo)慢軸(zhou)與垂直方向成45°夾角放置即可(ke)。如(ru)果(guo)您的半(ban)波(bo)片沒(mei)有標明軸向或者(zhe)標記被擋(dang)住，可(ke)通(tong)過(guo)如(ru)下(xia)方法(fa)確(que)定：首(shou)先(xian)在光路(lu)中(zhong)放置壹個(ge)偏(pian)振器，旋(xuan)轉(zhuan)它(ta)以(yi)*屏(ping)蔽(bi)入(ru)射(she)激光，表(biao)示(shi)偏(pian)振器的偏(pian)振方向是(shi)水(shui)平(ping)的。然(ran)後(hou)把(ba)半(ban)波(bo)片放置在偏(pian)振器前面，保證(zheng)垂直入(ru)射。旋(xuan)轉(zhuan)半(ban)波(bo)片使(shi)光再次(ci)被偏(pian)振器屏(ping)蔽(bi)。這(zhe)時(shi)波片的快(kuai)軸或(huo)慢軸(zhou)方向與入(ru)射(she)激光的偏(pian)振方向重合，從而(er)不(bu)對它(ta)產生(sheng)旋(xuan)轉(zhuan)作用(yong)。之後(hou)把(ba)半(ban)波(bo)片朝(chao)任壹(yi)方向旋(xuan)轉(zhuan)45°，入射激光的偏(pian)振會相應(ying)地(di)旋(xuan)轉(zhuan)90°，得到(dao)水(shui)平(ping)偏(pian)振。可(ke)以(yi)把(ba)偏(pian)振器的偏(pian)振方向調到垂直，看(kan)是(shi)否(fou)可(ke)以(yi)屏(ping)蔽(bi)激光，以驗(yan)證(zheng)其(qi)水(shui)平(ping)偏(pian)振。若希望旋(xuan)轉(zhuan)激光的偏(pian)振方向到其他任意(yi)角度(du)，只(zhi)需把(ba)波片旋(xuan)轉(zhuan)這個(ge)角度(du)的壹半(ban)就(jiu)可(ke)以(yi)了。兩(liang)款比(bi)較方便的波片固(gu)定支架(jia)請(qing)參見我(wo)們的RSP-1T 或 GM-1RA產品。

1/4波片

1/4波片通(tong)常(chang)用來把(ba)線偏(pian)振光轉(zhuan)變為圓偏(pian)振光，或者(zhe)反之。要實現(xian)這個(ge)目(mu)的，需要(yao)使入(ru)射(she)光的偏(pian)振方向同波片的軸向成45°夾角，從而(er)使(shi)其沿(yan)波片的快(kuai)軸和慢軸(zhou)方向的分(fen)量相同(tong)，如(ru)圖(tu)4所示(shi)。

圖(tu)4

調節(jie)1/4波片的過程與上(shang)面(mian)描(miao)述(shu)的半(ban)波(bo)片的調節(jie)過程類(lei)似：首(shou)先(xian)，在光路(lu)中(zhong)放入壹(yi)個(ge)偏(pian)振器，旋(xuan)轉(zhuan)它(ta)以(yi)屏(ping)蔽(bi)入(ru)射(she)光，從而(er)確(que)定入射光的偏(pian)振方向。然(ran)後(hou)，在偏(pian)振器前放入1/4波片，保持光的垂直入(ru)射。旋(xuan)轉(zhuan)波片，並(bing)再次(ci)時光被偏(pian)振器屏(ping)蔽(bi)。然(ran)後(hou)，朝(chao)任壹(yi)方向旋(xuan)轉(zhuan)波片45°，得到(dao)圓偏(pian)振光。這時(shi)穿(chuan)過偏(pian)振器的光強應(ying)該(gai)只(zhi)有入射時的壹半(ban)，而(er)另(ling)壹半(ban)則(ze)被反射或(huo)吸收。可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)如(ru)下(xia)方法(fa)判斷(duan)圓偏(pian)振光的質量：當(dang)旋(xuan)轉(zhuan)偏(pian)振器時，穿過的光強應(ying)該(gai)始(shi)終(zhong)保持不變。若光強發生(sheng)改變，說(shuo)明使用的波片在該(gai)波(bo)長上並(bing)不(bu)是(shi)嚴(yan)格的1/4波片，得到(dao)的光具有(you)橢(tuo)圓偏(pian)振。可(ke)以(yi)使(shi)波(bo)片相對(dui)光的入射(she)方向稍微傾斜，轉(zhuan)動偏(pian)振器並(bing)檢測通(tong)過(guo)的光強是(shi)否(fou)穩定(ding)。重(zhong)復(fu)這個(ge)步(bu)驟(zhou)可(ke)能會找(zhao)到(dao)合適的入射(she)角度(du)，補(bu)償波(bo)片延(yan)遲的偏(pian)差(cha)。

圖(tu)5

您或許想知道(dao)除(chu)半(ban)波(bo)片和1/4波片之外的其他(ta)波片對(dui)光的偏(pian)振性(xing)有(you)何(he)影響(xiang)。圖5所示(shi)的是(shi)壹(yi)束線偏(pian)振光在經(jing)過(guo)具有(you)不(bu)同相位(wei)延(yan)遲的波片後(hou)的偏(pian)振態(tai)改變，入射(she)光的偏(pian)振方向與波(bo)片的軸向成任意(yi)夾角。當(dang)光穿過(guo)半(ban)波(bo)片（相位(wei)延(yan)遲π）時，偏(pian)振方向發生(sheng)旋(xuan)轉(zhuan)，並(bing)保持線偏(pian)振性(xing)。當(dang)相位(wei)延(yan)遲是(shi)2π或其整數倍時(shi)，光的偏(pian)振不(bu)發生(sheng)任何改變。穿過(guo)其(qi)他(ta)相位(wei)延(yan)遲的波片均(jun)產生(sheng)不同取(qu)向的橢(tuo)圓偏(pian)振光。請(qing)註意(yi)，這裏1/4波片（相位(wei)延(yan)遲π/2及3π/2）並(bing)沒(mei)有產生(sheng)圓偏(pian)振光，因(yin)為入射(she)光與波(bo)片軸(zhou)向成任意(yi)夾角，造(zao)成(cheng)光在波(bo)片的快(kuai)軸和慢軸(zhou)上的分(fen)量不(bu)同。要產生(sheng)圓偏(pian)振光，入射(she)光的偏(pian)振方向須(xu)和1/4波片的軸向準確(que)成 45°夾角。

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1）  激光控(kong)制：激光電流(liu)源(yuan)、激光器溫控(kong)器、激光器控(kong)制、伺(si)服設(she)備(bei)與系統(tong)等(deng)等(deng)

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7）  光學元(yuan)件(jian)：各(ge)類(lei)晶體、光纖(xian)、偏(pian)轉(zhuan)鏡、反射鏡、透(tou)射鏡、半(ban)透(tou)半(ban)反鏡、濾(lv)光片、衰(shuai)減片、玻(bo)片等(deng)等(deng)

8） 染(ran)料：激光染(ran)料、熒(ying)光染(ran)料、光致變色染(ran)料、光致發光染(ran)料、吸收染(ran)料等(deng)等(deng)