偏振光的干涉

术语

有相同的频率和有固定的位相差，并且在同一平面上振动的两偏振光的干涉。可分为平行的平面偏振光的干涉和会聚的平面偏振光的干涉两种。

定义

对于偏振光的干涉，可以分为“广义”和“狭义”两种。从广义上说，是偏振光通过一块均匀或者不均匀的晶体平板后，出射光形成一种新的偏振态分布的过程，这种出射光场成为广义偏振光干涉场。从狭义上说，是广义上产生的出射光场再经过一检偏器后所形成的出射光场，即狭义偏振光干涉场。

对于不同意义上的偏振光干涉各有优缺点。较“狭义的”偏振光干涉而言，“广义的”偏振光干涉测试精度较高技术更为先进，但是其检测的过程则显得比较复杂。

初步研究

1811年，英国物理学家阿喇果第一次对偏振光的干涉现象进行了研究：他在用方解石观察天空的蓝光时，加入了一块透明的薄云母片，结果发现出射的o光与e光两束光都具有鲜明的彩色色彩，接下来他又把薄云母片换成不同的薄晶体片，结果发现几乎所有经过晶体片出射的o光与e光都具有鲜明的彩色色彩。对于这一现象，他认为是偏振光干涉的结果。直到1816年，阿喇果与菲涅尔合作，完成了几个与偏振光干涉有关的基本实验并得出了一定的成果。这些实验表明。如果在普通的干涉实验中保证两条干涉光线在两个互相垂直的平面内偏振，那就不能观察到干涉花样，即诸极大值与极小值的分布。

条件

（1）两根沿正交方向振动的平面偏振光线并不干涉；

（2）两根沿正交方向振动的平面偏振光线（从同一束平面偏振光所分出来的），只有当他们被弄到同一平面时，才像普通的光一样发生干涉。

平行偏振光干涉

平行偏振光干涉装置由偏振光发生器、各向异性装置、检偏器与接收光屏三部分组成。

平行偏振光干涉装置

会聚偏振光干涉

在正交偏光系统中，当单色偏光倾斜入射于晶片后，由于分解成两束相干偏光，相遇后，会产生干涉现象。

一束单色自然光，经透镜2后形成平行光，然后经过起偏器3，形成单色偏振光，单色偏振光再经过透镜6会聚，然通过波晶片，成为两束具有一定位相差的并且相互正交的偏振光这两束偏振

会聚偏振光干涉图样

光经过检偏器7，成为两束相干的偏振光，并在相遇区内产生干涉图形。

应用

与光的干涉相似，偏振光干涉也含有三项要素，即照明光波特性，各向异性装置引起的相位差以及干涉光场分布。偏振光干涉的各种应用都可以归结为通过其中两项要素来求取第三项要素的过程。

偏振光干涉具体应用的例子有晶体双折射率的测定，光测弹性力学与金属、薄膜折射率的测定，椭圆偏振光的检验等等。

第一部分为偏振光发生器，由一块起偏器和一块晶片组成（也可以省略去晶片），常见的晶片有半波片等。当偏振光发生器中只含有起偏器而不含有晶片时，出射光为先偏振光，当其中的晶片不同时，可以产生不同的偏振光，又由于偏振片的作用，入射光经过偏振片后，其能量并不能完全转化为出射光。第二部分为各向异性装置，各向异性装置通常是晶体板或者波晶片，其作用是产生振动方向相互垂直的偏振光，即o光与e光。第三部分是检偏器与接收光屏，检偏器的作用是从o光与e光两束光中分离出振动方向与其透振方向相同的两个分量，分别为o分量与e分量，使得这两个分量满足发生干涉所需的相干条件。

偏镜N1和检偏镜N2

，没有光能通过检偏镜。然而，此间在两者间插入一块光轴平行于表面的晶片K，，则有光从检偏镜透过；若晶片是楔形板，则见有明暗相间的条纹出现。加晶片后能见到光的这种现象即为一种平面偏振光的干涉现象。

,N1和N2代表正交的起偏镜和检偏镜的主截面，zz‵代表晶片的主截面。设A为通过起偏镜N1的平面偏振光的振幅,它在晶片内分解为振幅为Ao和Ae的o光和e光。通过厚度为d的晶片后，o光和e光的位相差为， (1)

式中no和ne分别为晶片对o光和e光的主折射率。具有这样固定位相差的o光和e光，合成一个椭圆偏振光，但是当令其通过检偏镜N2时Ao和Ae在N2主截面上的分振幅分别为 (2)

此式表示，通过N2的两平面偏振光是等振幅而且振动在同一平面(N2)的两个相干光；它们的位相差除了δK外还要加上Ao和Ae在N2主截面投影所引起的位相差,所以此两相干光的总位相差

当

时，通过N2有最大光强度；当

时，没有光通过检偏镜。所有连续递增厚度的楔形晶板挡在正交的N1和N2之间时，从N2能看到明暗相间的条纹。

偏镜和检偏镜放置

则透过检偏镜N2的两相干光的振幅分别为

可见,除θ=45°外，在一般θ值下,A2oA2e；它们的位相差只决定于。当或其整数倍时，由N2透射的光有最大光强；当及其奇数倍时，由N2透射的光强最小（θ=45°时最小为零）。

对于某一给定的晶片，由于δ寑与δ〃有π的差别, 所以在正交（N1⊥N2）系统和平行(N1∥N2)系统所得干涉条纹的明暗位置正好相反。

用白光照射系统时，对各种波长的光，干涉最大和最小的条件不能同时满足，因而自N2出射的光呈一定的彩色，而同一晶片，在正交系统透射光所呈的彩色与平行系统中所呈的彩色不同，这两种彩色互为补色。此外，当由正交向平行过渡或其相反过渡，即转动起偏镜和检偏镜之一时，由于位相差有突然的变化(π)，所以,出射光的彩色会随之突然由一种彩色变为它的补色。通常称之为色偏振。

色偏振是检验双折射现象的极灵敏的方法，它在检验玻璃元件有无应力及区别某些纤维方面得到相当普遍的应用。

平面偏振光

观察会聚的平面偏振光干涉的实验布置,其中晶片 K的光轴与晶片表面垂直并且平行于系统的光轴。如果,透镜L1和L2不放在起偏镜N1和检偏镜N2之间,因为在晶片内o光和e光都沿光轴进行，没引入位相差，所以没有干涉现象。但若利用透镜L1产生会聚于晶片 K的平面偏振光，又用透镜L2将此会聚光再变为平行平面偏振光，当晶片是厚为 2mm的方解石时，通过检偏镜N2可以观察到干涉图样。其中黑十字称等旋线，又以透镜光轴为中心的明暗相间的圆环，称等色线。

表示顺光线看去，会聚光在晶片前表面上的投影。其中,圆代表自透镜L1射出的、有相同孔径角(即在晶片表面上有相同入射角i1)的光线在该表面上的轨迹。通过圆周上各点的偏振光的振动方向在该表面上的投影,都平行于起偏镜主截面N1。在晶片K很薄的情况下，o光和e光分开得很少，因而以入射角i1射到晶片上的光线，可由其晶体内的光路。可以看出, 对于通过P、P‵、H和H‵各点的偏振光并不分解,在N1⊥N2的情况下, 都不能通过检偏镜N2,其他同心圆周上与之相应的各点与此相同，因而通过N2观察时，会看到暗的十字；当N1∥N2时,这些点上偏振光都能通过N2,所以会看到亮的十字。

对于圆周上的其他各点，例如C点,平行于N1的矢量在晶体K内分解成沿该点圆周切线方向的o光和沿半径方向的e光。在近似的情况下,两光在晶片内所通过的几何路程为l‵，因而晶片K和检偏镜 N2给两光造成的位相差为，

式中l‵=l/cosi姈, i姈为光在晶体内的折射角，né为晶体在i2方向上e光的折射率。显然，在这种情况下,位相差只决定于i姈角。具有相同i姈的光，有相同的位相差，同在一干涉条纹上。于是，通过检偏镜看到的干涉图是一组明暗相间的同心圆环；用白光照射时，看到的干涉图是彩色同心环，同一圆环有同一彩色，故名等色线。

当晶体光轴在其他方向时，则所得的等旋线与等色线和上述的显著不同,就是光轴平行于表面的石英片放在 N1⊥N2的系统中所看到的会聚的平面偏振光的干涉图样。

晶体定轴投影仪

偏光显微镜中利用会聚的平面偏振光的干涉图样来测定光轴的位置已成为在切割与磨制晶体时的重要手段；对于大块晶体的定轴,已应用与相似的光学系统制成了晶体定轴投影仪。

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