[科普中國]-偏振方向

偏振性與偏振方向

對于平面電磁波，電場強度矢量——光矢量的振動方向與傳播方向垂直。

光矢量的振動方向總是與光的傳播方向垂直的，即光矢量的橫向振動狀態(tài)，相對于傳播方向不具有對稱性，這種光矢量的振動相對于傳播方向的不對稱性，稱為光的偏振性。

偏振方向，即此時的振動方向與傳播方向不一致時的方向。

只有橫波才具有偏振現(xiàn)象，振動方向與傳播方向垂直，而縱波不存在偏振問題，振動方向與傳播方向一致。

偏振方向的測量原理折射光的偏振方向一束平行的單色光，入射到三棱鏡的AB面，經(jīng)折射后由另一面Ac射出，如圖1所示。入射光和AB面法線的夾角i稱為入射角，出射光和AC面法線的夾角i'稱為出射角，入射光和出射光的夾角△稱為偏向角?？梢宰C明，當(dāng)入射角i等于曲射角i’時，入射光和出射光之間的夾角最小，稱為最小偏向角。三棱鏡的折射率可由下式(1)給出：

式中A為三棱鏡頂角，可用分光儀分別測出三棱鏡頂角A和最小偏向角δ。

反射光的偏振方向根據(jù)布儒斯特定律，反射光偏振的程度決定于入射角i，當(dāng)i等于某一定值i0，即滿足時，反射光成為完全偏振光，即偏振方向與入射面垂直，如圖2所示。i0稱為布儒斯特角。空氣中n1=1。

用分光儀測出三棱鏡頂角A和最小偏向角δ，由(1)式算出三棱鏡折射率n。由(2)式算出布儒斯特角i0，平行光以i0入射三棱鏡，反射光是垂直于入射面的平面偏振光(入射面是由入射光與法線組成的平面)，如圖2所示1。

測量方法(1)調(diào)分光儀。望遠(yuǎn)鏡垂直于儀器轉(zhuǎn)軸，并聚焦無窮遠(yuǎn)、調(diào)平行光管平行于望遠(yuǎn)鏡，且產(chǎn)生平行光。

(2)調(diào)三棱鏡。測出兩個三棱鏡S1、S2頂角A1、A2，最小偏向角δ1，δ2，由(1)式算出n1、n2，由(2)式算出i10、i20。

(3)分光儀平行光管分別以i10、i20入射三棱鏡S1、S2，望遠(yuǎn)鏡分別找到三棱鏡S1、S2的反射光，把偏振片
P1、P2分套在望遠(yuǎn)鏡物鏡上，旋轉(zhuǎn)偏振片，望遠(yuǎn)鏡觀察消光，則偏振片P1、P2水平方向是其偏振方向1。

偏振方向?qū)﹃嚵泄馐h(yuǎn)場能量分布的影響現(xiàn)代許多領(lǐng)域中都需要有高功率、高能量、高光束質(zhì)量的激光源，比如要求激光的輸出功率在100kW 以
上,但對于單個激光器，由于激光器自身內(nèi)部物理因素以及結(jié)構(gòu)因素的限制如存在熱效應(yīng) 、增益飽和、介質(zhì)損傷
等現(xiàn)象，要想提高單個激光器輸出功率是十分困難的。

從原理上講，激光合成主要有非相干合成和相干合成兩種。非相干合成就是通過一系列光束整形和變換，
將多臺激光器發(fā)射的激光組合在一起輸出，這種合成技術(shù)只是能量上的一種簡單疊加，這種合成技術(shù)能使總的
激光輸出功率提高，但光束質(zhì)量下降。而相干合成是使在空間上分離的激光光源(波長相同，偏振相同，相位固
定)相干疊加,能量在空間上重新分配，是一種在保持光束質(zhì)量的同時，成倍提高激光輸出功率的有效手段。而偏振方向的改變會使遠(yuǎn)場的峰值光強減小，中心光斑能量降低，而且使遠(yuǎn)場的對比度降低。因此，相干合成時為了得到高的峰值功率，應(yīng)當(dāng)使用偏振控制器以確保各個發(fā)光單元的偏振方向相同2。

激光偏振方向?qū)Ψ止夤鈴姷挠绊戨p光路補償強度調(diào)制型光電檢測系統(tǒng)中，采用分光鏡后透射光強和反射光強會隨著激光光源偏振方向和強度的變化而變化，嚴(yán)重破壞了強度補償機理。

當(dāng)光源采用普通內(nèi)腔式激光器時，若激光器輸出強度不變，而偏振方向隨機變化，則分光后反射光強和透射光強反向漲落；若激光器輸出不僅偏振方向隨機變化且強度也變化時，則分光后反射光強和透射光強的變化具有不確定性。實際上，普通內(nèi)腔式激光器的輸出偏振方向和強度都是隨機變化的，這嚴(yán)重影響了檢測系統(tǒng)的強度補償效果。

解決這個問題的根本辦法是充分保證入射線偏振光的偏振方向恒定不變。 我們可采取兩種措施來達(dá)到這個目的。 一是直接采用帶布儒斯特窗的線偏振激光器作光源；二是用普通的 He-Ne 激光器作光源，但在分光鏡前的主光路中插入一個偏振片以限定入射光的偏振方向3。