光学测试技术第六章

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1、第六章偏振光分析法测量第一节偏振光分析法基本原理第六章偏振光分析法测量根据测量偏振矢量波的偏振态来确定被测试样的相位差，从而求出被测试样的其它参数（如应力、膜层折射率和厚度、波像差等）的方法，称为偏振光分析法。近年来，偏振光分析法在光学测量中的应用有很大发展。在光学玻璃应力双折射测量、双折射晶片及玻片相位差的测量方面，已由普通的单1/4玻片法发展为半影法（用半影检偏器的1/4玻片法）、光电晶体补偿法和应用横向塞曼激光器的测量法等，这些方法是测量双折射光程差的准确度提高了几倍到几十倍。在椭圆偏振术（简称椭偏术）方面，自1945年A.Rot

2、hen描述了一种测定薄膜表面光学性质的仪器（即椭圆偏振测量仪）以来，无论在理论上和应用上都有了很大发展。第六章偏振光分析法测量在我国，60年代就研制了椭偏仪。近年来，微机控制的单色椭偏仪已有了正式产品，能测固体材料光学性质的椭偏光谱仪几年前已研制成功，国内最近进一步研制出同步旋转起偏器和检偏器的可变入射角的波长扫描型椭偏仪。现在。测量光学薄膜特性的椭偏仪已由采用消光法发展为新的光度法，它使设备简单、精度提高、速度加快，而且还扩大应用范围。80年代国内在偏振光分析法应用上的重要进展是实现了压电晶体或电光晶体的条纹扫描干涉仪和采用布拉格盒的

3、外差干涉仪结构简单，容易实现移相，并且应用范围还会广泛一些。由于采用偏振光分析法的设备较简单而测量准确度较高，它必将在光学测量中发挥越来越大的作用。第一节偏振光分析法基本原理（1）两个频率相同、振动方向垂直的单色光波的叠加或写成：消去参变量，合振动矢量末端运动轨迹方程为：其中：当时，合成光波为线偏振光；当时，合成光波为也为线偏振光；当时，合成光波为正椭圆偏振光；第一节偏振光分析法基本原理（2）玻片玻片能使偏振光的两个互相垂直的线偏振光之间产生一个相对相位延迟，从而改变它的偏振态。玻片是由透明晶体制成的平行平面薄片，其光轴与表面平行。当一

4、束线偏振光垂直入射到单轴晶体制成的玻片时，在玻片中分解成沿原方向传播但振动方向互相垂直的光和光（两光的传播方向相同），由于两光在晶片中的速度不同，但通过厚度为的晶片后产生相应的相位差为（ⅰ）半波片（或玻片）使得线偏振光通过后仍然为线偏振光，圆偏振光入射，出射光是旋向相反的圆偏振光；第一节偏振光分析法基本原理（ⅱ）玻片使得入射线偏振光变为椭圆偏振光，若入射线偏振光的光（电）矢量与玻片的快（慢）轴成45°角时，将得到圆偏振光。（3）偏振的矩阵表示偏振的矩阵表示法，能够提供一种最简练的矩阵形式进行最简单的矩阵运算，来推算偏振器件组成的复杂系统

5、对出射光波状态作用的方法，而不必去追究其中每一过程的具体物理意义，琼斯矩阵就是其中适于相干光波的一种矩阵形式。第一节偏振光分析法基本原理（ⅰ）偏振光的琼斯矢量表示设主轴系统中偏振光的两个正交分量的复振幅为：矩阵表示法就是用一个琼斯矢量的列矩阵来表示偏振光：第一节偏振光分析法基本原理（ⅰ）偏振光的琼斯矢量表示偏振光的强度是它的两个分量的强度和，即通常我们研究的往往是光强度的相对变化，所以其归一化形式可以用去除的每一个分量（使得两分量的平方和为1）而得到。考虑到偏振态的形状、位置及旋向仅取决于两分量的振幅比和相位差，因此归一化的琼斯矢量可以

6、写为：第一节偏振光分析法基本原理（ⅰ）偏振光的琼斯矢量表示以下是几个偏振光的归一化琼斯矢量的例子①光矢量与轴成角，振幅为的线偏振光：归一化的琼斯矢量为：②长轴沿轴，长短轴之比为2﹕1的右旋椭圆偏振光：归一化的琼斯矢量为：第一节偏振光分析法基本原理③左旋圆偏振光归一化的琼斯矢量为：把偏振光用琼斯矩阵表示，特别方便计算两个或多个给定的偏振光叠加的结果。例如两个振幅和位相相同，光矢量分别沿轴和轴的线偏振光的叠加，用琼斯矢量来计算就是：而：第一节偏振光分析法基本原理线偏振光圆偏振光光矢量沿轴光矢量沿轴光矢量与轴成±45°角光矢量与轴成角右旋左旋

7、第一节偏振光分析法基本原理（ⅱ）偏振器件的琼斯矩阵表示偏振光通过偏振器件之后，光的偏振态将发生变化。若入射光的偏振态表示为，经过偏振器件后变为，则偏振器件的线性变换作用可以用一个二行二列的矩阵来表示，即有：或称G矩阵为该偏振器件的琼斯矩阵。式（3）的分量形式为：式中，一般为复常数。第一节偏振光分析法基本原理（ⅱ）偏振器件的琼斯矩阵表示式（5）表明偏振器件在偏振态转换中起着线性变换作用，新的偏振态的两个分量是原来偏振态两分量的线性组合。下面举例求取偏振器件的琼斯矩阵例1：线偏振器件的琼斯矩阵设偏振器透光轴与轴成角，如图所示建立坐标系，入射

8、光在轴上的两个分量分别为和，将它们在线偏振器透光轴方向上投影。入射光通过线偏振器后，和沿透光轴方向的分量分别为和，将这两个分量的组合在上再投影，得到出射光的两个分量和，即++透光轴第一节偏振光分析法基本原理