橢圓偏振光的實(shí)現(xiàn)和檢測(cè)
一、橢圓偏振光的實(shí)現(xiàn)
橢圓偏振光可視為兩個(gè)頻率相同、傳播方向一致，但振動(dòng)方向相互垂直的線偏振光（通常取x和y方向）疊加而成。關(guān)鍵在于這兩個(gè)分量之間存在恒定的相位差（δ），且振幅可以不同。
主要實(shí)現(xiàn)方法：
1.線偏振光+波片（特別是1/4波片）：
原理：波片由雙折射晶體（如石英、云母）制成，其光軸平行于表面。當(dāng)線偏振光入射時(shí)，會(huì)分解為沿快軸（F）和慢軸（S）振動(dòng)的兩個(gè)正交分量。波片使這兩個(gè)分量產(chǎn)生特定的相位差（光程差）。
1/4波片：使快慢軸分量產(chǎn)生π/2（90°）的相位差。
1.實(shí)現(xiàn)橢圓偏振：
讓線偏振光的偏振方向與波片的快軸（或慢軸）成θ角（θ≠0°,90°,45°）。
1、入射光振幅E?分解為：沿快軸分量`E_f=E?cosθ`，沿慢軸分量`E_s=E?sinθ`。
2、1/4波片使這兩個(gè)分量產(chǎn)生90°相位差（通常設(shè)定`E_s`滯后`E_f`90°）。
3、出射光即為橢圓偏振光。橢圓的長(zhǎng)短軸方向與波片的快慢軸方向一致。
4、特殊角度：當(dāng)θ=45°時(shí)，`E_f=E_s`，出射光為圓偏振光（橢圓的特例）。
1/2波片：產(chǎn)生180°相位差，主要作用是旋轉(zhuǎn)線偏振光的偏振方向，不能直接產(chǎn)生橢圓偏振光。
其他波片：任意波片（產(chǎn)生任意相位差δ）與線偏振光組合，只要偏振方向不與波片軸平行或垂直，都能產(chǎn)生橢圓偏振光。
2.線偏振光+全內(nèi)反射（或金屬反射）：
原理：當(dāng)線偏振光在電介質(zhì)界面（如玻璃-空氣）發(fā)生全內(nèi)反射，或在金屬表面反射時(shí)，反射光的s分量（垂直于入射面）和p分量（平行于入射面）之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與入射角相關(guān)的相位差δ。
實(shí)現(xiàn)橢圓偏振：如果入射光是線偏振光，且其偏振方向既不平行也不垂直于入射面（即同時(shí)包含s和p分量），則反射光中s和p分量的振幅比和相位差δ（由入射角和材料性質(zhì)決定）共同作用，使得反射光變?yōu)闄E圓偏振光。菲涅耳公式描述了這種相位變化。
3.直接產(chǎn)生（激光器）：
某些激光器（如帶有布儒斯特窗的氣體激光器）輸出的光本身就可能具有微弱的橢圓偏振特性。通過(guò)設(shè)計(jì)激光腔和光學(xué)元件，可以更精確地控制輸出光的偏振態(tài)為橢圓偏振。
二、橢圓偏振光的檢測(cè)
檢測(cè)橢圓偏振光的核心目標(biāo)是確定描述其偏振態(tài)的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：
1.橢圓長(zhǎng)軸的方位角（ψ）：長(zhǎng)軸相對(duì)于某個(gè)參考方向（如水平軸）的夾角。
2.橢圓率角（χ）：定義為`tanχ=±（短軸長(zhǎng)度/長(zhǎng)軸長(zhǎng)度）`。χ的正負(fù)號(hào)代表橢圓的旋轉(zhuǎn)方向（左旋或右旋）。
主要檢測(cè)方法：
1.旋轉(zhuǎn)偏振片法（結(jié)合1/4波片-最常用）：
原理：利用偏振片（檢偏器）和1/4波片組合，將橢圓偏振光轉(zhuǎn)換為線偏振光，然后通過(guò)測(cè)量線偏振光的方向來(lái)確定橢圓的參數(shù)。
步驟：
a. 單獨(dú)使用檢偏器：將待測(cè)光通過(guò)可旋轉(zhuǎn)的偏振片（檢偏器），在其后放置光強(qiáng)探測(cè)器。旋轉(zhuǎn)檢偏器360°，觀察透射光強(qiáng)`I(α)`隨檢偏器角度`α`的變化。對(duì)于橢圓偏振光，會(huì)觀測(cè)到光強(qiáng)在最大值`I_max`和最小值`I_min`之間變化，且最小值`I_min>0`（區(qū)別于部分偏振光，部分偏振光的`I_min`可以非常接近0）。
b.確定長(zhǎng)軸方位角ψ：找到透射光強(qiáng)達(dá)到最大值`I_max`時(shí)檢偏器的角度`α_max`。此時(shí)檢偏器的透光軸方向即平行于橢圓的長(zhǎng)軸方向。因此`ψ=α_max`。
c.引入1/4波片：在待測(cè)光路和檢偏器之間插入一個(gè)1/4波片（其快慢軸方向已知，例如設(shè)定快軸水平）。關(guān)鍵：將1/4波片的快軸精確對(duì)準(zhǔn)步驟b中找到的橢圓長(zhǎng)軸方向（即`ψ`方向）。
d.再次旋轉(zhuǎn)檢偏器：固定1/4波片方向后，再次旋轉(zhuǎn)檢偏器360°，測(cè)量透射光強(qiáng)`I(β)`隨檢偏器角度`β`的變化。
e.確定橢圓率角χ：經(jīng)過(guò)1/4波片（其快軸沿長(zhǎng)軸）后，橢圓偏振光被轉(zhuǎn)換為線偏振光。該線偏振光的偏振方向`β?`（此時(shí)透射光強(qiáng)最大或最?。┡c長(zhǎng)軸方向（即1/4波片快軸方向）的夾角等于橢圓率角χ。即`χ=β?`。
f.判斷旋向：根據(jù)`β?`是正還是負(fù)（相對(duì)于快軸方向），結(jié)合1/4波片的延遲方向，可以判斷橢圓是左旋還是右旋（通常需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)約定或理論推導(dǎo)）。
2.斯托克斯參量測(cè)量法（更全面）：
原理：任何偏振光（完全偏振、部分偏振、非偏振）都可以用4個(gè)斯托克斯參量`(S?,S?,S?,S?)`來(lái)完整描述。對(duì)于完全偏振光（包括橢圓偏振光），有`S?2=S?2+S?2+S?2`。
測(cè)量：通過(guò)測(cè)量不同偏振元件組合下的光強(qiáng)來(lái)計(jì)算斯托克斯參量：
`S?=I(0°)+I(90°)`(總光強(qiáng))
`S?=I(0°)-I(90°)`(0°vs 90°線偏振分量差)
`S?=I(45°)-I(135°)`(45°vs 135°線偏振分量差)
`S?=I(RHC)-I(LHC)`(右旋圓偏振分量光強(qiáng)vs左旋圓偏振分量光強(qiáng))
其中`I(α)`表示透光軸在`α`方向的線偏振片后的光強(qiáng)；`I(RHC)`和`I(LHC)`分別表示通過(guò)右旋圓偏振器和左旋圓偏振器后的光強(qiáng)。
獲取橢圓參數(shù)：對(duì)于完全偏振光，橢圓參數(shù)可由斯托克斯參量計(jì)算得到：
長(zhǎng)軸方位角`ψ`：`tan(2ψ)=S?/S?`(需注意象限)
橢圓率角`χ`：`sin(2χ)=S?/S?`
旋向：`S?>0`通常表示左旋（LHC），`S?<0`表示右旋（RHC）。(旋向定義需統(tǒng)一)
優(yōu)點(diǎn)：可直接測(cè)量部分偏振光的偏振度，測(cè)量方案相對(duì)系統(tǒng)化（常用旋轉(zhuǎn)波片法或四探測(cè)器法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量）。
3.橢偏儀：
專門儀器：這是測(cè)量橢圓偏振光的最精確和強(qiáng)大的儀器，尤其在薄膜光學(xué)表征中應(yīng)用廣泛。
原理：基于反射或透射產(chǎn)生橢圓偏振光。儀器精確控制入射到樣品上的線偏振光的偏振態(tài)（通過(guò)起偏器），測(cè)量經(jīng)樣品反射或透射后光的偏振態(tài)（通過(guò)檢偏器和1/4波片組合分析）。測(cè)量結(jié)果是兩個(gè)角度參數(shù)（通常用Ψ和Δ表示，Δ即前述相位差δ），直接對(duì)應(yīng)了樣品的光學(xué)性質(zhì)（如薄膜厚度、折射率）。
重要注意事項(xiàng)
單色性：波片的作用（相位延遲）和斯托克斯測(cè)量都強(qiáng)烈依賴于光的波長(zhǎng)。波片通常設(shè)計(jì)針對(duì)特定波長(zhǎng)（如鈉黃光589.3nm或氦氖激光632.8nm）。測(cè)量寬光譜光源（如白光）的偏振態(tài)需要使用消色差波片或更復(fù)雜的方法。
區(qū)分部分偏振光：旋轉(zhuǎn)偏振片法檢測(cè)時(shí)，橢圓偏振光（完全偏振）的最小透射光強(qiáng)`I_min>0`，而部分偏振光的`I_min`可以非常小（接近0）。斯托克斯參量法可以直接區(qū)分并測(cè)量偏振度。
旋向定義：左旋/右旋的定義（面對(duì)光源觀察還是沿光傳播方向觀察）在光學(xué)領(lǐng)域存在不同慣例，需明確所使用的定義。
總結(jié)
實(shí)現(xiàn)：最常用方法是讓線偏振光通過(guò)一個(gè)1/4波片，且偏振方向與波片快/慢軸不成45°角。反射（全內(nèi)反射、金屬反射）也能產(chǎn)生橢圓偏振光。
檢測(cè)：最基礎(chǔ)實(shí)用的方法是旋轉(zhuǎn)偏振片法結(jié)合1/4波片，先找到長(zhǎng)軸方向（ψ），再用1/4波片將其轉(zhuǎn)換為線偏振光并測(cè)量橢圓率（χ）和旋向。斯托克斯參量法提供更全面和標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)量。橢偏儀是用于高精度材料分析的專門設(shè)備。
理解橢圓偏振光的產(chǎn)生和檢測(cè)，對(duì)于研究光的偏振性質(zhì)、晶體光學(xué)、薄膜光學(xué)、光纖通信、顯示技術(shù)等領(lǐng)域都至關(guān)重要。