利用非1/4波片將橢圓偏振光轉(zhuǎn)換為線偏振光的理論及實(shí)驗(yàn)研究

楊曉冬 于 軍 李天樂(lè) 鐘遠(yuǎn)聰 溫建平 鄧定南

(1廣東石油化工學(xué)院理學(xué)院,廣東 茂名 525000；2嘉應(yīng)學(xué)院物理與光信息科技學(xué)院，廣東 梅州 514015)

利用波片對(duì)偏振光偏振態(tài)進(jìn)行變換是波動(dòng)光學(xué)的重要教學(xué)內(nèi)容，其在實(shí)際生產(chǎn)和科研中有非常廣泛的應(yīng)用[1-6]。將橢圓偏振光變換為線偏振光方法為：入射橢圓偏振光長(zhǎng)軸方向與1/4波片快軸方向平行或垂直，光束通過(guò)1/4波片后，橢圓偏振光將變?yōu)榫€偏振光。能否用非1/4波片將橢圓偏振光變換為線偏振光？對(duì)該問(wèn)題目前的文獻(xiàn)和教科書都沒(méi)有給出明確的答案。因此，對(duì)該問(wèn)題研究有助于增新教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)能進(jìn)一步完善教材中有關(guān)偏振光變換的相關(guān)理論。

本文將對(duì)利用非1/4波片將橢圓偏振光變換為線偏振光技術(shù)進(jìn)行理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 利用非1/4波片將橢圓偏振光轉(zhuǎn)換為線偏振光的理論分析

圖1 橢圓偏振光垂直入射波片

如圖1所示，一束橢圓偏振光垂直入射波片(非全波片、1/2波片)，假設(shè)波片為正晶體，波片快軸與光軸垂直，快軸沿Oy軸方向。在Ox′y′坐標(biāo)系中，入射橢圓偏振光為正橢圓偏振光，其長(zhǎng)軸方向光矢量EL沿Oy′軸，短軸方向光矢量ES沿Ox′軸，EL與波片快軸 (Oy軸)夾角為α。在O′x′y′坐標(biāo)系中，橢圓偏振光為正橢圓偏振光。EL和ES由O點(diǎn)進(jìn)入波片后，將分解并合成為o光和e光，其分解及合成為o光及e光的過(guò)程如圖2所示。圖2中，EL分解為沿Oy軸(快軸)方向分量ELo及沿Ox軸(慢軸)方向分量ELe，ES分解為沿Oy軸方向分量ESo及沿Ox軸方向分量ESe。波片中， e光由ELe與ESe合成，o光由ELo與ESo合成。圖2中，ELo與ESo方向相反，所以ELo與ESo合成o光時(shí)，會(huì)產(chǎn)生附加位向差π。由于合成o光及合成e光的兩光矢量振動(dòng)頻率相同、振動(dòng)方向在同一直線、位相差恒定，所以波片內(nèi)o光和e光也為平面簡(jiǎn)諧波，o光振動(dòng)初位相φo和e振動(dòng)初位相φe可分別表示為[7,8]：

圖2 波片內(nèi)，橢圓偏振光分解并合成為o光及e光示意圖

式中，AL與As分別表示入射到波片上長(zhǎng)軸與短軸方向光矢量的振幅。

根據(jù)式(1)、式(2)，在非1/4波片內(nèi)表面O點(diǎn)處，o光相對(duì)于e光的位相差為

(3)

橢圓偏振光透過(guò)非1/4波片后，o光相對(duì)e光的位相差Δφ′oe為

(4)

Δφ′oe=0或π

(5)

(6)

式中，Asl為非1/4波片內(nèi)沿慢軸方向振動(dòng)光矢量振幅；Af為波片內(nèi)沿快軸方向振動(dòng)光矢量振幅。根據(jù)式(6)就確定出射線偏振光振動(dòng)方向與非1/4波片快軸間夾角β。

表1 利用1/5波片將橢圓偏振光變換為線偏振光條件計(jì)算

從表1計(jì)算結(jié)果可以看出,當(dāng)入射橢圓偏振光長(zhǎng)軸與短軸光強(qiáng)比為2或3時(shí)，每一光強(qiáng)比都存在兩個(gè)，可使入射橢圓偏振光變換為線偏振光的長(zhǎng)軸與1/5波片快軸間夾角，且這兩個(gè)夾角互為余角。

圖3 橢圓偏振光長(zhǎng)軸、出射線偏振光與1/5波片快軸夾角數(shù)值示意圖(a) Δφ′eo=0; (b)Δφ′eo=π

2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖4 利用非1/4波片將橢圓偏振光轉(zhuǎn)化為線偏振光實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖5 裝置中波片快軸方向示意圖

(7)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖6為固體激光器輸出線偏振光直接入射到格蘭棱鏡，格蘭棱鏡逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一周的透過(guò)功率曲線。從圖中可以看出其最大透射功率約為900mW，最小透射功率約為1mW,激光器輸出光束為偏振度較好的線偏振光。

圖6 線偏振光激光器輸出線偏振光

圖7 長(zhǎng)軸與短軸方向光強(qiáng)比值為3的橢圓偏振光

圖8 Δφ′oe=0(a) 格蘭棱鏡輸出功率隨透偏方向變化； (b) 1/5波片、1/4波片快軸及1/5波片透射線偏振光夾角示意圖

下面在Δφ′eo=0條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)表1所列計(jì)算結(jié)果，將1/5波片相對(duì)激光器輸出線偏振光方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)約103°，使1/5波片快軸與1/4波片快軸夾角α約為73°。將格蘭棱鏡逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一周，其透射光功率變化如圖8(a)所示。格蘭棱鏡輸出最大功率約800mW, 當(dāng)格蘭棱鏡逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)44°及224°時(shí)，透射功率最低，不超過(guò)2mW，由此可以判定，1/5波片輸出光束為線偏振光。根據(jù)最小透射功率對(duì)應(yīng)角度，可確定，線偏振光光矢量振動(dòng)方向相對(duì)激光器輸出線偏振光逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)134°。圖8(b)為1/4波片快軸、1/5波片快軸以及1/5波片輸出線偏振光E的相對(duì)角度示意圖，根據(jù)測(cè)量，1/5波片輸出線偏振光光矢量方向與1/5波片快軸間夾角β約為57°，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果存在約-0.4°的誤差，該誤差值小于實(shí)驗(yàn)所使用鏡架角度讀數(shù)的準(zhǔn)確度，誤差值在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)。

利用圖4所示實(shí)驗(yàn)裝置，根據(jù)式(7)計(jì)算結(jié)果，將1/4波片快軸相對(duì)于激光器輸出線偏振光振動(dòng)方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)35°，將橢圓偏振光的長(zhǎng)軸與短軸光強(qiáng)比變換為2，以開(kāi)展利用1/5波片，將長(zhǎng)軸與短軸光強(qiáng)比為2的橢圓偏振光變換為線偏振光的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。

圖9 Δφ′oe=0(a) 格蘭棱鏡輸出功率隨透偏方向變化； (b) 1/5波片、1/4波片快軸及1/5波片透射線偏振光光矢量夾角示意圖

設(shè)Δφ′oe=0，根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果，將1/5波片相對(duì)激光器輸出線偏振光順時(shí)針旋轉(zhuǎn)92°，使1/5波片與1/4波片快軸(橢圓偏振光長(zhǎng)軸)間夾角約為57°。測(cè)量格蘭棱鏡逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一周的輸出功率曲線，測(cè)量結(jié)果如圖9(a)所示。從圖中可以看出，最大輸出功率接近800mW，在旋轉(zhuǎn)角約為48°和228°時(shí)，輸出功率最低，不超過(guò)2mW，可以判定從1/5波片輸出光束為線偏振光，根據(jù)最小輸出功率所對(duì)應(yīng)的角度，可確定：線偏振光振動(dòng)方向相對(duì)激光器輸出線偏振光逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)138°。圖9(b)為1/4波片快軸(橢圓偏振光長(zhǎng)軸)、1/5波片快軸、1/5波片輸出線偏振光E及入射線偏振光EP間夾角示意圖，根據(jù)測(cè)量結(jié)果可確定，1/5波片輸出線偏振光光矢量振動(dòng)方向E與1/5波片快軸間夾角約為50°，測(cè)量結(jié)果與理論分析基本相符。

4 結(jié)論

本文對(duì)利用非1/4波片將橢圓偏振光變換為線偏振光進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，理論和實(shí)驗(yàn)符合較好，表明可以使用非1/4波片將橢圓偏振光變換為線偏振光。但研究結(jié)果也表明，當(dāng)使用非1/4波片將橢圓偏振光變換為線偏振光時(shí)，不同形狀的橢圓偏振光所對(duì)應(yīng)長(zhǎng)軸與波片快軸間夾角也不同，需要依據(jù)橢圓偏振光長(zhǎng)軸與短軸光強(qiáng)比，由式(4)、(5)計(jì)算獲得，同時(shí)該夾角通常也為非整數(shù)，因此利用非1/4波片將橢圓偏振光變換為線偏振光并不是很方便。本文研究結(jié)果有助于完善偏振光變換相關(guān)理論，幫助人們對(duì)偏振光變換理論和技術(shù)有更全面的認(rèn)識(shí)。