雙光束干涉中偏振態(tài)分布的演示實(shí)驗(yàn)

劉 暢 周 翌 郭曉崢 羅鍛斌

（華東理工大學(xué)物理系，上海 200237）

光的干涉現(xiàn)象是指兩個(gè)或多個(gè)光波（光束）在某區(qū)域疊加時(shí)，在疊加區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的各點(diǎn)強(qiáng)度穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布現(xiàn)象[1，2].光的干涉現(xiàn)象、衍射現(xiàn)象和偏振現(xiàn)象是波動(dòng)過(guò)程的基本特征，是波動(dòng)光學(xué)研究的主要內(nèi)容.兩個(gè)振動(dòng)方向相同（或者有方向一致的平行振動(dòng)分量）、頻率相同的單色光波疊加時(shí)將發(fā)生干涉現(xiàn)象[1].但是，當(dāng)兩光波相遇時(shí)成某一角度的情形中，如果兩光波的振動(dòng)方向相互垂直，那么疊加區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的光強(qiáng)度都應(yīng)等于兩個(gè)光波的強(qiáng)度之和（雖然從兩個(gè)光源到疊加區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的位相差不相同），即在這種情況下不再發(fā)生干涉現(xiàn)象.

對(duì)于兩個(gè)振動(dòng)方向相同、頻率相同的單色光波疊加，將會(huì)出現(xiàn)光強(qiáng)的強(qiáng)弱的空間周期分布；而對(duì)于振動(dòng)方向相互垂直的兩光波，其疊加區(qū)域不能出現(xiàn)光強(qiáng)的強(qiáng)弱周期分布，但是，在兩光束交疊區(qū)域，由于光程差的不同，會(huì)導(dǎo)致相位差的周期分布.也就是說(shuō)，兩個(gè)振動(dòng)方向相同、頻率相同的單色光波疊加，它們的疊加區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)光強(qiáng)的周期分布，而偏振態(tài)保持不變；如果兩光波的振動(dòng)方向相互垂直，那么疊加區(qū)域光強(qiáng)均勻分布，但偏振態(tài)將出現(xiàn)周期性的分布[2].光強(qiáng)明暗的周期分布是直觀和容易理解的，但偏振態(tài)的分布則是光的干涉中容易忽略而且比較抽象的問(wèn)題.如何讓學(xué)生直觀地理解上述的兩類(lèi)干涉現(xiàn)象，筆者利用一種對(duì)特定波長(zhǎng)光的偏振態(tài)敏感的染料作為取向分子，形象地演示了兩種干涉條件下光束偏振態(tài)的分布.

我們選用的是一種很常見(jiàn)的分散紅13（DR13）偶氮染料，利用它可以很方便地在有機(jī)玻璃基體中通過(guò)主客摻雜方式得到十幾微米厚度的薄膜樣品.大量的實(shí)驗(yàn)表明[3-7]，樣品中的這種偶氮染料分子在特定波長(zhǎng)（如532nm）線偏振光作用下，會(huì)通過(guò)Trans-Cis-Trans（反式-順式-反式）異構(gòu)化循環(huán)，最后趨于與照射光偏振方向垂直的取向[3，4].而這種光致分子取向?qū)?dǎo)致光致折射率改變.我們就是利用這種折射率改變反過(guò)來(lái)說(shuō)明光的干涉過(guò)程中偏振態(tài)的改變.

實(shí)驗(yàn)光路如圖1所示，它是典型的全息干涉記錄光路.選擇半導(dǎo)體激光器的532nm線偏振的綠光作為寫(xiě)入光.532nm的光束1經(jīng)分束器（B.S.）分成光束2和光束3.利用光束1中的起偏器P3和1／4波片，可以使光束2和光束3的光強(qiáng)近似相等.光束2和3以約12°的夾角（θ約為6°）相交于樣品上，在樣品表面形成直徑約3mm光斑.光束2和3的偏振方向可以通過(guò)起偏器P1和P2進(jìn)行調(diào)節(jié).來(lái)自He-Ne激光器的紅光（632.8nm）作為探測(cè)光（約2mW）與寫(xiě)入光照射于樣品上同一點(diǎn).探測(cè)光光束基本等分光束2和3形成的夾角.探測(cè)光的光斑直徑約2mm.當(dāng)樣品中形成光柵結(jié)構(gòu)后，可以在樣品后放置的白屏（圖中未畫(huà)出）上觀察到探測(cè)光的一級(jí)衍射光斑和寫(xiě)入光的一級(jí)自衍射光斑，如圖2所示.實(shí)驗(yàn)演示均在室溫下進(jìn)行.

圖1 折射率柵實(shí)驗(yàn)光路示意圖

對(duì)于偏振器P1和P2透偏方向相互平行的情況（SS），根據(jù)光束2和光束3在樣品表面交迭形成的光程差，兩束干涉光的相位調(diào)制以光強(qiáng)的空間周期分布方式被記錄，在樣品表面形成明暗周期分布的光強(qiáng)分布，如圖3（a）所示.在亮條紋的區(qū)域，總光場(chǎng)的偏振方向均為線偏振且與原偏振方向相同如圖3（b）所示.根據(jù)偶氮染料DR13的光學(xué)特性，在光束2和光束3偏振相互平行的情況下，在光照區(qū)內(nèi)，DR13生色團(tuán)主要是產(chǎn)生平面內(nèi)（平行于樣品表面）取向，取向?qū)②呌诖怪庇趯?xiě)入光的偏振方向.由于樣品未被光照時(shí)，樣品中的DR13生色團(tuán)的取向是隨機(jī)無(wú)序的，樣品表現(xiàn)為光學(xué)各向同性，若此時(shí)樣品的折射率設(shè)為n0，那么當(dāng)寫(xiě)入光開(kāi)啟后，在光照區(qū)樣品中的DR13生色團(tuán)產(chǎn)生有序取向，必然導(dǎo)致該光照區(qū)折射率的改變，設(shè)此時(shí)該光照區(qū)域的折射率為n1；而在干涉條紋暗區(qū)，生色團(tuán)分子仍保持為無(wú)序取向，折射率仍為n0（光學(xué)各向同性時(shí)樣品的折射率）.這樣，寫(xiě)入光在樣品表面亮暗、亮暗的光強(qiáng)周期分布，在樣品中則形成了折射率n1n0、n1n0的周期分布，也就是寫(xiě)入了一個(gè)與光強(qiáng)相對(duì)應(yīng)的折射率柵結(jié)構(gòu).這種光柵結(jié)構(gòu)對(duì)寫(xiě)入光和探測(cè)光均有衍射效應(yīng)，如圖2（a）所示.

圖2 探測(cè)光的一級(jí)衍射光斑（左，紅光）和寫(xiě)入光的一級(jí)衍射光斑（右，綠光）

圖3 P1、P2相互平行（SS）時(shí)（a）樣品表面的寫(xiě)入光的光強(qiáng)分布；（b）樣品中寫(xiě)入光的偏振態(tài)分布；（c）樣品中不同區(qū)域偶氮染料分子的取向態(tài)分布

而對(duì)于偏振器P1和P2透偏方向相互垂直的情況，在實(shí)驗(yàn)中各旋轉(zhuǎn)P1和P2±45°.由于兩束寫(xiě)入光的偏振方向相互垂直，因此不存在光強(qiáng)柵，樣品表面寫(xiě)入光的光強(qiáng)分布如圖4（a）所示.但根據(jù)光束2和光束3在樣品表面交迭形成的光程差，樣品表面可以形成總光場(chǎng)的偏振態(tài)的周期分布.也就是說(shuō)，隨著光束2和光束3不同交疊區(qū)域相位差的變化，兩者合成的偏振態(tài)，可以在樣品表面形成線偏振、橢圓偏振、圓偏振等光場(chǎng)偏振態(tài)的周期性分布，見(jiàn)圖4（b）.根據(jù)DR13生色團(tuán)的光致取向，在線偏振區(qū)域有生色團(tuán)的平面內(nèi)取向，在橢圓和圓偏振區(qū)域還會(huì)發(fā)生生色團(tuán)的平面外（垂直于樣品表面）取向.因?yàn)橹挥挟?dāng)DR13生色團(tuán)取向垂直于寫(xiě)入光的偏振態(tài)時(shí)，光致異構(gòu)反應(yīng)才會(huì)停止.所以，在橢圓和圓偏振區(qū)域，將會(huì)發(fā)生DR13生色團(tuán)垂直于樣品表面的取向，如圖4（c）所示.由于兩束寫(xiě)入光在樣品表面合成偏振態(tài)的周期分布，使得樣品中的DR13生色團(tuán)的取向產(chǎn)生周期分布；而樣品中不同的生色團(tuán)分布，又使得樣品的折射率也出現(xiàn)周期性分布，從而在樣品中形成折射率柵，進(jìn)而對(duì)探測(cè)光和寫(xiě)入光產(chǎn)生衍射效應(yīng)，如圖2（b）所示.

圖4 P1、P2相互垂直時(shí)（±45°偏振）（a）樣品表面的寫(xiě)入光的光強(qiáng)分布；（b）樣品中寫(xiě)入光的偏振態(tài)分布；（c）樣品中不同區(qū)域偶氮染料分子的取向態(tài)分布

利用偶氮染料分子對(duì)激發(fā)光偏振的敏感性，通過(guò)全息干涉實(shí)驗(yàn)光路，在偶氮化合物樣品中可以形成兩種折射率柵.對(duì)于兩束偏振方向相互平行的寫(xiě)入光，全息干涉通過(guò)光強(qiáng)周期分布寫(xiě)入折射率柵結(jié)構(gòu)，可稱為光強(qiáng)柵；而對(duì)于兩束偏振方向相互垂直的寫(xiě)入光，全息干涉通過(guò)兩束寫(xiě)入光合成偏振態(tài)的周期分布寫(xiě)入折射率柵結(jié)構(gòu)，可稱為偏振柵.而探測(cè)光的衍射和寫(xiě)入光的自衍射直觀地說(shuō)明了這兩種折射率光柵的存在.這兩種折射率光柵來(lái)源于偶氮生色團(tuán)的周期性取向分布，而偶氮生色團(tuán)的周期性取向分布又來(lái)自光束照射區(qū)域的偏振態(tài)的周期分布，而偏振態(tài)的周期分布又取決于雙光束疊加區(qū)域的相位差的分布.所以，正是由于偶氮染料分子對(duì)激發(fā)光偏振的敏感性，可以很直觀地理解在不同偏振組合光束的干涉區(qū)域光的偏振態(tài)的分布情況.

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[2]梁銓廷.物理光學(xué) [M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

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