线偏振光

物理学术语

在光的传播方向上，光矢量只沿一个固定的方向振动，这种光称为平面偏振光，由于光矢量端点的轨迹为一直线，又叫做线偏振光。光矢量的方向和光的传播方向所构成的平面称为振动面。线偏振光的振动面固定不动，不会发生旋转。绝大多数光源都不发射线偏振光而发射自然光，需要经过起偏器才能获得线偏振光。

定义

在透明媒质界面上的折射和反射

让自然光以偏化角入射在二种不同透明媒质的界面时，可得完全偏振的反射光与部分偏振的透射光。以空气与玻璃为例，根据菲涅耳公式（见光在分界面上的折射和反射），此偏化角（布儒斯特角）为 iP=arctgn。如n=1.5，iP=57°。最简单产生与检查偏振光的偏振镜是用安置两块玻璃。最好用黑色玻璃，或用一般玻璃，反面磨毛涂黑，以吸收透射光及阻挡从玻璃后面射来的光。自然光先以 iP 角射向下面一块玻璃，产生偏振垂直入射面的反射光射向第二块玻璃。当上面的玻璃的入射面和下面的平行时，则可从上面玻璃见到反射光。但如上下玻璃的入射面互相垂直，由于垂直第一块入射面的偏振成为平行第二块入射面的偏振，不能被反射，观察者虽随第二块转 90° 角，亦看不到反射光，得黑视场。这里下面一块称起偏镜，上面一块称检偏镜。只要能产生偏振光的一对器件，都可以达到起偏与检偏作用。这偏光镜虽简单，但入射光与出射光不在一条直线上，使用不便。如利用一堆玻璃片，使入射角也是 iP。由于经多片玻璃反射，透射光接近偏振光，而且与入射光在同一个方向上，很方便。所用的玻璃堆片每片的质量要好，表面平，光洁度好，以减少杂散光。

双折射晶体

通过双折射晶体（有很多自然界的晶体，如方解石（又名冰洲石），石英（又名水晶））等等，当自然光入射后，分解为二束偏振光，故名双折射晶体。以方解石为例，通过三个钝角汇合的顶角并和三面成等角的方向称光轴，光沿光轴方向传播，不产生双折射，沿其他方向，都产生双折射。以包含光轴并与棱体自然裂开面垂直的一个截面为例，这截面称主截面。自然光在主截面内分解为寻常光（简称 o 光）、非常光（简称 e 光）。o 光遵守折射定律，垂直通过晶体，其偏振垂直主截面；e 光不遵守折射定律，偏离 o 光而出射，其偏振平行主截面。这两偏振光进入空气中后，为方便计，仍称 o 光与 e 光。o 光与 e 光相距很近，如光束较粗，无法分开。为了只要一种偏振光，需采用以下棱镜。

用途

尼科耳棱镜

取长为宽约三倍的方解石，将两端面磨去一部分，使在主截面上锐角由 71° 减到 68°。再将晶体沿着短对角线切开，一分为二。再将切开面磨平抛光，然后再用加拿大树胶粘合在一起。对于钠黄光 λ=5893┱，e 光折射率为 ne=1.48641，o 光折射率 no=1.65836，而加拿大树胶折射率为 nc=1.550，介乎二者之间。当自然光从端面入射棱体，到达树胶层斜面，由于 e 光折射率小，可以透过。而 o 光折射率大，到达树胶层时入射角大于全反射角，被树胶层全反射到边缘，被黑色涂层吸收。透到空气中只有 e 光，其偏振从出射方向的晶体端面看，是平行端面的短对角线的。入射、出射光束的发散角不能很大。出射光束发散角最大在 24° 左右，视所用光的波长而定。再大会使 o 光在一边透过，e 光在另一边全反射，使偏振不纯。在紫外线区工作，要将加拿大树胶换以甘油或蓖麻油。尼科耳棱镜的缺点是，由于两端是斜面，入射光与透射光不在一条直线上，当转动棱镜时，透射光线随着转动而移动,接收处的位置要随着调动，很不方便。

格兰－汤普森棱镜

将方解石或石英磨成光轴平行棱边的直角三棱镜两块，再用加拿大树胶粘合。两棱镜中也可夹一空气薄层。光从端面垂直入射，o 光在胶面上全反射，而 e 光能透过。由于光垂直入射端面，反射较小，透射光强。并且转动棱镜，出射像可保持没有横向移动。

阿伦氏棱镜

将方解石磨成三块三棱镜，然后粘合在一起，通光面积比格兰－汤普森棱镜大。空间的发散角约 26°。有些高级的偏光显微镜的上、下偏光镜，常用这种棱镜。

双像棱镜同时产生 o、e 两种偏振光。但它们的分离的角度比天然方解石棱体的 o、e 光较大。两光可以同时用，亦可分开用。

双色性晶体

定义

通过双色性（又名二向色性）晶体

某些双折射晶体对二种互相垂直的偏振光具有不同的吸收。例如电气石吸收 o 光比吸收 e 光大得多。白光经过 1 毫米厚的电气石晶片，几乎全部 o 光被吸收而 e 光只略微被吸收。透过的偏振光略带黄绿色，足见吸收对波长还有依赖关系。

偏振片

W.B.赫勒帕思在 1852 年发现碘化硫酸金鸡纳（奎宁）针状结晶有双色性吸收。厚约 0.1 毫米的晶体已能完全吸收 o 光。但晶粒微小，当时无法用以产生偏振光。直至 1934 年才有人将碘化硫金鸡纳浮悬在胶体中，当胶体拉成薄膜时这些微小晶体随着拉伸方向排列整齐，起了一大片双色性晶体的作用。等薄膜干后，把它夹在二块平面玻璃片之间，制成大面积获得偏振光的器件。也有用聚乙烯醇薄膜浸透了碘制成。这类薄膜片，商品名 Polaroid，称偏振片。由于塑料工业的发展，已有很多种变种偏振片。质量好的，可通过入射光中一个偏振光的 80%，而通过另一个偏振光小于 1%。两个偏振片相互垂直，通过全部入射光的 0.01%，还不能全黑。一般产品，还达不到这指标。所以精密仪器中，还是采用上述棱镜。虽然偏振片有偏振不纯及光较弱的缺点，但它几乎具有近乎 180° 的孔径。又不像自然晶体受大小的限制，几乎可以做得直径大至数十厘米的尺寸。而且产品成本低廉，可大量生产。所以在很多实际应用中，小如观看立体电影的偏光眼镜，较简单的偏光显微镜的上下偏光镜，摄影用的消反光的附加镜头，大至光弹仪的起偏与检偏镜，都用这种薄膜偏振片。

线栅起偏器

在 1960 年有人在每毫米约 2160 条的透明光栅上镀涂金属铝膜，形成透明及反射的线栅。类似偏振片的作用，当自然光通过线栅后，和铝线条平行的偏振被吸收而获得偏振垂直铝线条的平面偏振光。其原理是自然光中平行铝线的电振动，易使在铝线中产生感应电流，等同于光被线栅吸收，而垂直铝线的电场不易被吸收，得以通过。这思想是从微波引来的，所以有利于制作红外光的起偏器。

马吕斯定律

马吕斯在 1808 年发现：任何产生单一偏振光的器件，它们的偏振光的透过平面互相平行的透过光强最大，为I0 。互相成 α 角，透过光强 I=I0（cosα）2。这就是马吕斯定律。这是透过第一块偏光镜的电矢量的振幅，分解在第二块透过平面的自然结果。设透过第一块的电矢量振幅为 E0，则透过第二块的为 E=E0cosα。将此式二次方，即为光强。

通过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，则在原始光垂直的任何方向上，散射光是平面偏振的；如微粒是各向异性的，则散射光是部分偏振光。设自然光沿 x 方向射向微粒 O，由于微粒是各向同性的，微粒的感生偶极矩和入射光的电矢量是一致的。这偶极矩作强迫振动，辐射次波，就是散射光，在图中可以看出，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。

光入射到各向异性微粒上，由于被感应的偶极矩与入射光的电矢量不是矢量关系而是张量关系，感生偶极矩与入射光电矢量方向不一致，所以发出的次波，在与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，在垂直太阳光方向用偏振片观察天空，可以发现天空光是部分偏振光，偏振片在一个取向光亮度大，在与之垂直取向亮度小。这是由于散射光进行多次散射，另一方面由于大气中有各向异性小微粒。

在人为安排的各向同性气体的散射中，可在横向得到偏振光。这也证明了,是光的电矢量而不是磁矢量,起了光的散射作用。

利用光的散射来产生需要的偏振光没有实际意义。但反过来，利用散射光的偏振程度可以估计散射微粒的各向异性程度。

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