近年来, 偏振光不仅在物理学领域, 而且在化学和工程技术领域中作为主要测量手段起到了重要作 用[1~ 2] , 以结构应力分析为中心的光弹性学和材料无损探伤技术一直应用于实际工作中; 利用偏振光作为 研究物质的入射光, 通过收集分析反射光所携带的大量信息, 可以研究物质的表面状态; 同样, 作为物化法研 究物质结构和性质的一种实用手段, 通过对透射光的分析, 我们可以推断物质内部分子的排列和趋向; 借用 此方法, 也完全可以对生物组织进行分析研究, 它是组织光学中潜在价值极高的研究方法; 偏光技术现已作 为 CD 唱盘等高密度载体信息的读出及检索手段, 已进入了实用化阶段; 偏光技术在光纤通信技术中也已得 到广泛应用. 所有这些应用无不涉及到偏振光状态变换及检测问题, 而这些变换需要各种形式的相位延迟器 的作用, 正确分析它们间的相互作应关系, 是实际应用的基础[3~ 4] . 光相位延迟器对光偏振态的作应, 可以采用数学方式或图解方式对其加以分析. 图解方式尽管复杂, 但 很直观, 便于理解, 对于了解掌握光学系统各部分偏光状态情况是一个很大的帮助, 有利于指导光学系统调 试工作. 下面, 我们采用图解方式对线偏光通过单一延迟器和复合延迟器后的偏振状态情况进行讨论.

1 线偏光通过单一延迟器后, 光偏振态的变化情况

  单一延迟器是由双折射晶体材料或具有双折射特性的高分子材料制成, 有一定的延迟相位, 快、慢轴方 位成 90 度. 直线偏振光可以认为是由相位角相等的两正交偏振分量合成的光. 取两正交分量分别与直角坐 标系 X、Y 轴对应, 其值是各自的旋转矢量(直线箭头)在 X、Y 轴上的投影, 如图 1 所示. 把两旋转矢量的各 同步瞬间( 1, 2, 3, ,,7; 实心点对应 Y 轴的旋转矢量瞬间点, 空心点对应 X 轴的旋转矢量瞬间点)在 X 、 Y 轴上的正投影合成, 便得出了偏振光 P. 就是说, X 、 Y 轴上的旋转矢量的投影点随时间进行同相振动, 直线 偏振光就是由这两个振动矢量的合成的. 当偏振光 P 通过方位角为零的延迟器时(延迟器的快轴方位与 X 轴一致), 如图 2 所示. 设偏振光方位 与延迟器快轴成 H角, 此时两旋转矢量的值( 即两旋转分量在 X 、 Y 轴上的最大投影)分别为 ax = acos H和 ay= asin H , a 为入射线偏光振幅. 延迟器的作用相当于在两旋转矢量间产生了附加相差 △, 我们把位相超前 的旋转矢量叫做快矢量 F, 位相滞后的旋转矢量称之为慢矢量 S, S 矢量的起点应放在与旋转矢量旋转方向 相反的△后位置上. 经如此变换后, 两旋转矢量在各自对应坐标轴上的投影合成一椭圆偏振光. 照此方法, 用计算机不难做出下列延迟相位情况下的矢量合成结果.

1. 1 当延迟相位 $= 0b, 30b, 45b, 60b, 90b, 120b, 150b, 180b时, 合成椭圆偏振光的情况 见图 3.

  1. 2 当 ax = ay , 即线偏光方位与延迟器方位成 45b角时合成椭圆偏振光 如图 4 所示. 图 4 -1 和图 4 -2 分别 是延迟相位为 30b和 60b的矢量合成情况.

    1. 3 当延迟相位 △= 90b, ay / ax 取不同值时, 合成椭圆偏振光 如图 5 所示. 图 5 中画出了 3 种 ay / ax [ 1 的情况; 当 ay / ax > 1的情况下, 合成椭圆偏振光的长轴方向应与上述情况相反. 从图 3 中我们可以清楚地观察到, 当旋转矢量值之比一定时, 延迟相位△的变化一般会使得合成光成 为椭圆偏振光, 椭圆光的长轴方位与延迟相位的大小有关. 当 ay/ ax ≤ 1 情况下, 随着△的变化, 椭圆光的长 轴方位角在+ 45b~ - 45b之间改变, 特殊情况 △= 90b时, 椭圆光的长轴方位角为零( 如图 5 所示) , 与延迟器 快轴方向一致. 当 ay/ ax> 1 情况下, 随着 △的变化, 椭圆光长轴方位角在+ 45b与+ 135b之间改变, 特殊情况 △= 90b时, 椭圆光的长轴方位角为 90b, 与延迟器慢轴方向一致. 当 ay / ax = 1 情况下( 如图 4 所示) ,△的变 化, 对椭圆光的长轴方位角无影响, 长轴方位角仅取+ 45b或 - 45b两个角度, 特殊情况 △= 90b时, 椭圆偏光 变成圆偏光.

  合成椭圆偏振光的旋转方向也可以在图解过程中得到确定, 延迟相位 △在 0b~ 180b范围取值, 合成光是 左旋椭圆偏振光; 延迟相位 △在 180b~ 360b范围取值, 合成光是右旋椭圆偏振光; 延迟相位△取 0b或 180b值, 合成光是直线偏振光.

2 线偏光通过复合延迟器后, 光偏振态的变化情况