线偏振光的产生、检验

的入射角也必定是布儒斯特角。（简单几何关系证明）
光束每经过一次反射，将有10%左右的s分量被“反射损
耗”掉。经计算，由10块n2=1.5的玻璃平板组成的玻璃堆 在空气中使用时，偏振度才达到0.635.
与反射式起偏器相比，玻璃堆的优点：光能利用率高、
出射光束与入射光束平行；缺点：偏振度偏低、光谱范 围受到玻璃性能限制、体积偏大。
过优化设计光栅参数实现偏振分束功能。
介质光栅偏振分束的物理机制：
导模共振效应
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193nm偏振分束光栅
严格矢量计算
C 0 753 C 1 300
TM 0 89 . 53 % TE 1 80 . 08 %
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4.线偏振光检验
① 马吕斯(Malus)定律 线偏振光射向线偏器时，透射光强度与入射光振动方向
① 反射式起偏器 按照菲涅耳反射公式：
rs rp sin i t sin i t tan i t tan i t
1
当入射光以布儒斯特角 B tan
nt
n i 射向界面时，反射光
束中只含有s分量，透射光中同时含有s和p分量。
TE Al TE
TM
DUV light
TM光激发的表面等离子体波，阻碍了入射光向TM导模 的耦合，从而形成反转偏振透射。
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193nm反转偏振片偏振透射测试
电镜扫描图
偏振透射谱
C
TE TM
45
25
c. 介质偏振分束光栅 通过在普通介质材料上制作亚波长光栅，使光栅具有较
大的双折射（Δn_grating=0.318>>Δn_quartz=0.013），通
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③ 晶体起偏器
设计原理：晶体中的两束“折射光”都是纯粹的线偏振
光。设法只让其中一束光射出晶体或者使两束出射光沿 不同方向传播，都可以获得偏振度很高的线偏光。
a. 尼科耳(Nicol)棱镜
9
尼科耳棱镜获得线偏振光的方法是使o光受到全反射，而
只让e光自出射面射出。
制作：通过AD并垂直于平面ABCD把晶体切割成两半，
再用加拿大树胶把它们粘合在一起。
起偏原理：当入射光方向是HK时，o光、e光各自以不同
的入射角射向棱镜与加拿大树胶的界面。 no=1.658， ne=1.52，ng=1.55，o光的入射角为77o超过了全反射临界 角69o ，于是o光在界面上发生全反射而被黑漆所吸收； 而e光不发生全反射，而部分出射。
和元件主方向之间的夹角有关，“马吕斯定律”给出了
具体的规律：
I A I P co s
2
28
② 线偏振光的检验
线偏振光的检验有两重含义：确定被检光是否是线偏振 光和测定线偏振光的振动方向。
判定是否为线偏光：根据马吕斯定律，如果被检光是线
偏光，则令它通过一个主方向已知的线偏器后，应该观
察到透射光强随元件主方向旋转而变化的现象，并且， 当元件主方向位在某个方位时，透射光强度为零。反之 ，则不能观察到零透射光强。
sin
1
n g n o sin
1
n
g
ne
o光将在分界面处发生全反射，而e光将部分透过界面。
格兰棱镜的优点：偏振度高、制作简单、稳定性好（格
兰-空气棱镜不使用胶合剂避免了强光照射时胶合剂变质
问题）；缺点：光能利用率低、光谱范围窄。
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c. 渥拉斯顿(Wollaston)棱镜
3 n o n e ta n
射出晶体后，两束光的偏振分束角为：
2 3 2 n o n e tan
为避免光波在界面发生全反射，必须满足 c
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d. 罗雄(Rochon)棱镜
罗雄棱镜左半部分晶体光轴方向与入射光束平行，不发
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测定线偏光振动方向：
a. 单线偏器检验
检验方法是，在旋转线偏器的同时，观察待检光透射后
的光强。当主方向位在某个方位时出现零强度，则判定
被检光是线偏光，并且其振动方向与此主方向垂直。 缺点：在零光强附近，透射光强对θ 角变化不敏感，测 量误差较大。
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b. 半影式检偏器
该检偏器把检测光强的视场分为两半，用比较两半视场
光面积小。
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b. 格兰(Glan)棱镜
格兰棱镜由两块方解石直角三棱柱组成，两个棱柱可以
用甘油等材料胶合（“格兰-甘油棱镜”），也可以由空
气隙隔离（“格兰-空气棱镜”）。
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格兰棱镜起偏原理：用ng 表示两棱柱间介质的折射率，
当棱角α介于o光、e光全反射角之间时（格兰-甘油棱镜
θco=62.7o, θce=82.6o ，格兰-空气棱镜θco=37.1o, θce=42.3o ） 即：
10
尼科耳棱镜的孔径角：当入射光向下倾斜,如图中GK方向,
异常光在AD界面入射角增大，当∠GKH>14o时, e光发生全
反射；同样, 当入射光向上倾斜,如图中IK方向,寻常光在AD
界面入射角减小,当 ∠IKH>14o时, 光不发生全反射；所以 尼科耳棱镜的极限孔径角大约为 28o.
优点：偏振度高；缺点：光能利用率低、光谱范围窄、通
1
1.线偏器的定义
只让具有一定振动方向的光波通过的光学元件称为“线偏
器”。这个振动方向称为该元件的主方向或透射方向。
把自然光变为振动方向平行于主方向线偏光的线偏器称为
“起偏器”。
用于偏振光检验的线偏器称为“检偏器”。
起偏器和检偏器是线偏器分别用于产生、检验偏振光时的 名称，二者在具体器件上没有区别。
在同一时刻的光强的方法，判断被检光的振动方向。
2 I 左、右半场的光强分别为： p co s
I p co s
2

仅当δ=0（亮场）或δ=π/2（暗场），两边光强相等。
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4.本节课小结
线偏器定义、质量指标 各种线偏器
质量指标 反射式 折射式 天然晶体 人造晶体
生双折射，光束射入右半部分后，振动方向平行于图平 面的成分仍然为o光，不发生偏折；垂直成分经历“o-e” 变化，发生偏折，从而实现偏折分束。
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罗雄棱镜的偏振分束角
2 n o n e tan
为避免光波在界面发生全反射，必须满足 c
渥拉斯顿、罗雄棱镜优点：能实现偏振分束、偏振度高
偏振度 光能利用率
光谱范围 体积 价格
高 低
宽 大 低
低 高
窄 大 低
高 高
窄 大 较高
高 高
宽 小 高
线偏光检验
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33
5
根据菲涅耳公式，s分量的反射率为：
R s sin
2
i t co s
2
2 B

B t 9 0o来自当 nt/ni=1.5 (1.6)时，Rs 约为0.15 (0.19)，光能利用率低。
对于严格以布儒斯特角入射的单色平面波，反射式起偏
器的偏振度等于1；当入射角偏离 θB时，反射光束中将出 现p分量，可根据最小偏振度值，计算该元件的孔径角。
、性能稳定；
缺点：造价昂贵
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a. 深亚波长金属光栅偏振片
起偏原理
微观解释：偏振方向平行于栅条的TE偏振光入射到金属
表面时，将引起电子沿栅条方向自由振荡，TE偏振光被
金属栅条反射或吸收；对于偏振方向垂直于栅条的TM偏
振光，由于栅条线宽远小于入射光波波长，该方向上的 电子振荡受到限制，TM偏振光将直接透过。
2
2.线偏器的质量指标
① 偏振度
自然光经过实际的起偏器后通常变为部分偏振光，部分 偏振光的偏振度称为起偏器的“偏振度”。如果定义沿 主方向（y轴）振动成分的透过率为Ty ，垂直于主方向的 振动成分透过率为Tx ，则起偏器的偏振度为： P=(Ty-Tx)/(Ty+Tx) 对于理想起偏器，有： Tx =0，P=1
渥拉斯顿棱镜由两块光轴互相正交的直角三棱柱晶体光
胶而成，其工作原理是利用光轴取向不同，使光波经过 界面后，振动方向发生改变，从而使不同振动方向的光 波在空间分离。
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渥拉斯顿棱镜的偏振分束角
对于“o-e”光束，偏振角为：
2 n o n e ta n
对于“e-o”光束，偏振角为：
反射式起偏器优点：偏振度高、适用光谱范围宽、装置
简单；缺点：光能利用率低，对入射角度要求高。
6
② 折射式起偏器，玻璃堆
光束以布儒斯特角连续多次射向多个界面，最后的出射
光接近于线偏振光，多块平板玻璃互相平行地叠在一起 ，这种起偏器称为“折射式起偏器”、“玻璃堆”。
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当光波在平板上表面处以布儒斯特角入射时，在下表面
、“o-o”光经过罗雄棱镜无折射色散；缺点：光谱范围 窄
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④ 人造偏振片

通过对各向同性材料进行人工干预（制作微结构、薄膜 拉伸等），使其转变为各向异性的“人造晶体”，人造 晶体的双折射率远大于天然晶体，可作为高质量的偏振 器件（偏振片、偏振分束器、波片等）用于 光波的偏振
控制。
优点：光谱范围宽、偏振度高、光能利用率高、体积小
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② 消光比
消光比定义为：ρ=Tx/Ty ，对于理想起偏器，有：ρ =0
③ 光谱范围
指起偏器能适用的光波光谱范围，主要取决于工件的工
作原理和材料性质。
④ 色散
当白光通过起偏器后，透射光的传播方向甚至振动方向 都可能因波长而异。
⑤ 稳定度
反应元件是否容易因光照、湿度、温度不当和机械冲击 而变质。