光学测试教程第六章.ppt

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.Rothen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 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 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