椭圆偏振光的实现和检测
一、椭圆偏振光的实现
椭圆偏振光可视为两个频率相同、传播方向一致，但振动方向相互垂直的线偏振光（通常取x和y方向）叠加而成。关键在于这两个分量之间存在恒定的相位差（δ），且振幅可以不同。
主要实现方法：
1.线偏振光+波片（特别是1/4波片）：
原理：波片由双折射晶体（如石英、云母）制成，其光轴平行于表面。当线偏振光入射时，会分解为沿快轴（F）和慢轴（S）振动的两个正交分量。波片使这两个分量产生特定的相位差（光程差）。
1/4波片：使快慢轴分量产生π/2（90°）的相位差。
1.实现椭圆偏振：
让线偏振光的偏振方向与波片的快轴（或慢轴）成θ角（θ≠0°,90°,45°）。
1、入射光振幅E?分解为：沿快轴分量`E_f=E?cosθ`，沿慢轴分量`E_s=E?sinθ`。
2、1/4波片使这两个分量产生90°相位差（通常设定`E_s`滞后`E_f`90°）。
3、出射光即为椭圆偏振光。椭圆的长短轴方向与波片的快慢轴方向一致。
4、特殊角度：当θ=45°时，`E_f=E_s`，出射光为圆偏振光（椭圆的特例）。
1/2波片：产生180°相位差，主要作用是旋转线偏振光的偏振方向，不能直接产生椭圆偏振光。
其他波片：任意波片（产生任意相位差δ）与线偏振光组合，只要偏振方向不与波片轴平行或垂直，都能产生椭圆偏振光。
2.线偏振光+全内反射（或金属反射）：
原理：当线偏振光在电介质界面（如玻璃-空气）发生全内反射，或在金属表面反射时，反射光的s分量（垂直于入射面）和p分量（平行于入射面）之间会产生一个与入射角相关的相位差δ。
实现椭圆偏振：如果入射光是线偏振光，且其偏振方向既不平行也不垂直于入射面（即同时包含s和p分量），则反射光中s和p分量的振幅比和相位差δ（由入射角和材料性质决定）共同作用，使得反射光变为椭圆偏振光。菲涅耳公式描述了这种相位变化。
3.直接产生（激光器）：
某些激光器（如带有布儒斯特窗的气体激光器）输出的光本身就可能具有微弱的椭圆偏振特性。通过设计激光腔和光学元件，可以更精确地控制输出光的偏振态为椭圆偏振。
二、椭圆偏振光的检测
检测椭圆偏振光的核心目标是确定描述其偏振态的两个关键参数：
1.椭圆长轴的方位角（ψ）：长轴相对于某个参考方向（如水平轴）的夹角。
2.椭圆率角（χ）：定义为`tanχ=±（短轴长度/长轴长度）`。χ的正负号代表椭圆的旋转方向（左旋或右旋）。
主要检测方法：
1.旋转偏振片法（结合1/4波片-最常用）：
原理：利用偏振片（检偏器）和1/4波片组合，将椭圆偏振光转换为线偏振光，然后通过测量线偏振光的方向来确定椭圆的参数。
步骤：
a. 单独使用检偏器：将待测光通过可旋转的偏振片（检偏器），在其后放置光强探测器。旋转检偏器360°，观察透射光强`I(α)`随检偏器角度`α`的变化。对于椭圆偏振光，会观测到光强在最大值`I_max`和最小值`I_min`之间变化，且最小值`I_min>0`（区别于部分偏振光，部分偏振光的`I_min`可以非常接近0）。
b.确定长轴方位角ψ：找到透射光强达到最大值`I_max`时检偏器的角度`α_max`。此时检偏器的透光轴方向即平行于椭圆的长轴方向。因此`ψ=α_max`。
c.引入1/4波片：在待测光路和检偏器之间插入一个1/4波片（其快慢轴方向已知，例如设定快轴水平）。关键：将1/4波片的快轴精确对准步骤b中找到的椭圆长轴方向（即`ψ`方向）。
d.再次旋转检偏器：固定1/4波片方向后，再次旋转检偏器360°，测量透射光强`I(β)`随检偏器角度`β`的变化。
e.确定椭圆率角χ：经过1/4波片（其快轴沿长轴）后，椭圆偏振光被转换为线偏振光。该线偏振光的偏振方向`β?`（此时透射光强最大或最�。┯氤ぶ岱较颍�1/4波片快轴方向）的夹角等于椭圆率角χ。即`χ=β?`。
f.判断旋向：根据`β?`是正还是负（相对于快轴方向），结合1/4波片的延迟方向，可以判断椭圆是左旋还是右旋（通常需要结合实验约定或理论推导）。
2.斯托克斯参量测量法（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个斯托克斯参量`(S?,S?,S?,S?)`来完整描述。对于完全偏振光（包括椭圆偏振光），有`S??=S??+S??+S??`。
测量：通过测量不同偏振元件组合下的光强来计算斯托克斯参量：
`S?=I(0°)+I(90°)`(总光强)
`S?=I(0°)-I(90°)`(0°vs 90°线偏振分量差)
`S?=I(45°)-I(135°)`(45°vs 135°线偏振分量差)
`S?=I(RHC)-I(LHC)`(右旋圆偏振分量光强vs左旋圆偏振分量光强)
其中`I(α)`表示透光轴在`α`方向的线偏振片后的光强；`I(RHC)`和`I(LHC)`分别表示通过右旋圆偏振器和左旋圆偏振器后的光强。
获取椭圆参数：对于完全偏振光，椭圆参数可由斯托克斯参量计算得到：
长轴方位角`ψ`：`tan(2ψ)=S?/S?`(需注意象限)
椭圆率角`χ`：`sin(2χ)=S?/S?`
旋向：`S?>0`通常表示左旋（LHC），`S?<0`表示右旋（RHC）。(旋向定义需统一)
优点：可直接测量部分偏振光的偏振度，测量方案相对系统化（常用旋转波片法或四探测器法实现自动化测量）。
3.椭偏仪：
专门仪器：这是测量椭圆偏振光的最精确和强大的仪器，尤其在薄膜光学表征中应用广泛。
原理：基于反射或透射产生椭圆偏振光。仪器精确控制入射到样品上的线偏振光的偏振态（通过起偏器），测量经样品反射或透射后光的偏振态（通过检偏器和1/4波片组合分析）。测量结果是两个角度参数（通常用Ψ和Δ表示，Δ即前述相位差δ），直接对应了样品的光学性质（如薄膜厚度、折射率）。
重要注意事项
单色性：波片的作用（相位延迟）和斯托克斯测量都强烈依赖于光的波长。波片通常设计针对特定波长（如钠黄光589.3nm或氦氖激光632.8nm）。测量宽光谱光源（如白光）的偏振态需要使用消色差波片或更复杂的方法。
区分部分偏振光：旋转偏振片法检测时，椭圆偏振光（完全偏振）的最小透射光强`I_min>0`，而部分偏振光的`I_min`可以非常�。ń咏�0）。斯托克斯参量法可以直接区分并测量偏振度。
旋向定义：左旋/右旋的定义（面对光源观察还是沿光传播方向观察）在光学领域存在不同惯例，需明确所使用的定义。
总结
实现：最常用方法是让线偏振光通过一个1/4波片，且偏振方向与波片快/慢轴不成45°角。反射（全内反射、金属反射）也能产生椭圆偏振光。
检测：最基础实用的方法是旋转偏振片法结合1/4波片，先找到长轴方向（ψ），再用1/4波片将其转换为线偏振光并测量椭圆率（χ）和旋向。斯托克斯参量法提供更全面和标准化的测量。椭偏仪是用于高精度材料分析的专门设备。
理解椭圆偏振光的产生和检测，对于研究光的偏振性质、晶体光学、薄膜光学、光纤通信、显示技术等领域都至关重要。