圆偏振技术分析

圆偏振光的生成原理 光是电磁波，与声波不同光波是横波；偏振光是光矢量相对于传播方向以一固定方式振动的波。按传播轨迹，可以分为线偏振光和椭圆偏振光两种。圆偏振光是属于椭圆偏振光的一种特殊情况。

将两个频率相同，沿相同方向传播并且其振动面相互垂直的线偏振光叠加时，情况将如何变化呢？

图A

如图A ，波长为λ的一束光通过线偏振片后形成线偏振光；令光束垂直于波片的表面（沿z 轴方向）入射，该波片是厚度为d ，从具有双折射特性的单轴晶体上切下的薄片，且其表面平行于该晶体自身的光轴方向。入射到波片的线偏振光的光轴矢量的振幅OM=A 且与波片的光轴方向（xx 线）成夹角α。通过波片后形成两条振动面相互垂直的线偏振光：e 光（非常光）和o 光（寻常光）;e 光的振动矢量与波片的光轴方向（xx 线）一致；o 的振动矢量则和波片的光轴方向垂直（yy 线）。他们的传播方向一致，但传播速度不同，一个滞后，一个超前。通常将传播速度快，相位超前的光称作“快光”。称其振动方向为快轴，而传播速度慢，相位滞后的光称为“慢光”并称其振动方向为慢轴。

这样波片内形成了光程差：(

)o e n n d δ=-（其中o n 和e n 是o 光和e 光在波片内

的折射率）。两光的相位差()22o

e

d

n n πδ

φπλ

λ==-（1）

由图可见，e 光和o 光的振幅分别为：

a=A cos α，b=A sin α （2） 通过波片的振动可表示为

cos cos cos x A t a t αωω== （3）

sin cos()cos()y A t b t αωφωφ=+=+ （4）

其中ω——光波的时间圆周率，=2ωπγ，其中γ为时间频率；相位差y x φφφ=-；其中y φ x φ为y 和x 两个方向振动的初相。 求出合成振动轨迹，消去时间t ：

cos x

t a

ω=

，(cos cos sin sin )y b t t ωφωφ=- 或

sin sin cos x y t a b

ωφφ=

- 将上式平方并与下式相加： 2

2

22(cos sin )sin x t a

ωφφ= 得出

222222()cos sin x y xy a b ab

φφ+-= （5） 上式为椭圆方程式，形状和相对坐标决定于α角和β角的值。

可见，当线偏振光通过晶体波片后，一般情况下其光矢量振幅末端画出曲线为椭圆。此光为椭圆偏振光。

一些特殊情况：即相位差2πφ=+，2π-或32

π

~~时：

此时，式（5）变成如下形状：

22

221x y a b

+= （6） 在特定情况下，45α=。，这时a=b ，椭圆变成园，其方程式： 222x +y =a （7）

给出的相位差角φ的值对应的波片厚度d 应当满足以下等式：

o e 2m+1n -n d=m=012~n 4λ（）（）， ，，，3， （8）

其数值为14波长的2m+1倍。通常简称此种切割晶片为“14波片”或“4

λ

香味延

迟器”

由此我们可以得出，为获得圆偏振光，需使线偏振光通过1

4

波片并使其出事入射

光矢量与晶体1

4

波片的光轴方向成45度角。

圆偏振光旋转方向控制方法及其切换装置

由(5)式可见，线偏振光经过波片时两个相互垂直的分量间的相位差可以是也以是

，输出光矢量末端所画出的轨迹均为正椭圆。也就是说，沿垂直轴线

oy 的分量有可能超前于，也有可能落后于沿水平线OX 的分量角。当观察者迎

着光的方向看去，其结果是合成的矢量可以沿顺时针方向(向右)旋转，也可以沿逆时针方向(向左)旋转。因此，有右旋和左旋两种椭圆偏振光(或圆偏振光)的区别(见图B)。

图B左旋及右旋椭圆偏振光

根据关系式（3）和（4）可以确定不同时刻合成矢量端点的位置。当t=0时，x=a，y=bcosφ，这表明合成矢量的端点位置位于图C中的线段上；当

（T为周期)时，。

如果相位差满足，则合成矢量端点在Y轴上线段内。显然，

在周期内，合成矢量沿椭圆转动的距离不可能超过椭圆周长的一半，因此从AA’上的点转到OB’上的点，只能沿着顺时针方向行进，即此时获得的是右旋椭圆

偏振光。同理，如果相位差满足，在周期时合成矢量端点在Y轴上的0B线段内，从而获得左旋椭圆偏振光。

图C判断椭圆偏振光旋转方向的分析

一般情况下，如图B所示，合成光振幅矢量末端之轨迹为沿z方向行进的椭圆螺旋线。此轨迹在xy平面之投影为旋转椭圆，该椭圆的方位及旋转方向取

决于a角(即光振动矢量的两个分量a，b的大小)和相位差。图D中给出了当a

≠b，相位差从φ=0到中

9

4

π

φ=，每相隔1／8周期的各种偏振状态。

图D 同φ值对应的椭圆振动 在特定情况下：(1)当相位差为

的奇数倍，即(21)2

m π

φ=+（中m 为整数)，且

a ≠

b 时，光振幅矢量末端的轨迹为正椭圆。当0ϕπ<<(即)时为右旋；

当

2πϕπ<<（即）为左旋。

(2)当a=b 时，光振幅矢量末端轨迹变为圆，当59,,,~222

πππ

ϕ=

时为右旋圆偏振光；当3711,,,~222πππϕ= (亦即等同于59,,,~222

πππϕ=)时)时为左旋圆偏振光。 可见，为了改变圆偏振光的旋转方向，只须使构成它的两个相互垂直分量的相

位差角ϕ由2π转变为-2

π

或反之即可。