線偏振光雙折射晶體

通過(guò)雙折射晶體(有很多自然界的晶體，如方解石(又名冰洲石)，石英(又名水晶))等等，當(dāng)自然光入射后，分解為二束偏振光，故名雙折射晶體。以方解石為例，通過(guò)三個(gè)鈍角匯合的頂角并和三面成等角的方向稱光軸，光沿光軸方向傳播，不產(chǎn)生雙折射，沿其他方向，都產(chǎn)生雙折射。以包含光軸并與棱體自然裂開(kāi)面垂直的一個(gè)截面為例，這截面稱主截面。自然光在主截面內(nèi)分解為尋常光(簡(jiǎn)稱 o 光)、非常光(簡(jiǎn)稱 e 光)。o 光遵守折射定律，垂直通過(guò)晶體，其偏振垂直主截面;e 光不遵守折射定律，偏離 o 光而出射，其偏振平行主截面。這兩偏振光進(jìn)入空氣中后，為方便計(jì)，仍稱 o 光與 e 光。o 光與 e 光相距很近，如光束較粗，無(wú)法分開(kāi)。為了只要一種偏振光，需采用以下棱鏡。

取長(zhǎng)為寬約三倍的方解石， 將兩端面磨去一部分，使在主截面上銳角由 71° 減到 68°。再將晶體沿著短對(duì)角線切開(kāi)，一分為二。再將切開(kāi)面磨平拋光，然后再用加拿大樹(shù)膠粘合在一起。對(duì)于鈉黃光 λ=5893┱，e 光折射率為 ne=1.48641，o 光折射率 no=1.65836，而加拿大樹(shù)膠折射率為 nc=1.550，介乎二者之間。當(dāng)自然光從端面入射棱體，到達(dá)樹(shù)膠層斜面，由于 e 光折射率小，可以透過(guò)。而 o 光折射率大，到達(dá)樹(shù)膠層時(shí)入射角大于全反射角，被樹(shù)膠層全反射到邊緣，被黑色涂層吸收。透到空氣中只有 e 光，其偏振從出射方向的晶體端面看，是平行端面的短對(duì)角線的。入射、出射光束的發(fā)散角不能很大。出射光束發(fā)散角最大在 24° 左右，視所用光的波長(zhǎng)而定。再大會(huì)使 o 光在一邊透過(guò)，e 光在另一邊全反射，使偏振不純。在紫外線區(qū)工作，要將加拿大樹(shù)膠換以甘油或蓖麻油。尼科耳棱鏡的缺點(diǎn)是，由于兩端是斜面，入射光與透射光不在一條直線上，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡時(shí)，透射光線隨著轉(zhuǎn)動(dòng)而移動(dòng),接收處的位置要隨著調(diào)動(dòng)，很不方便。

將方解石或石英磨成光軸平行棱邊的直角三棱鏡兩塊，再用加拿大樹(shù)膠粘合。兩棱鏡中也可夾一空氣薄層。光從端面垂直入射，o 光在膠面上全反射，而 e 光能透過(guò)。由于光垂直入射端面，反射較小，透射光強(qiáng)。并且轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡，出射像可保持沒(méi)有橫向移動(dòng)。

將方解石磨成三塊三棱鏡，然后粘合在一起，通光面積比格蘭-湯普森棱鏡大。空間的發(fā)散角約 26°。有些高級(jí)的偏光顯微鏡的上、下偏光鏡，常用這種棱鏡。

雙像棱鏡同時(shí)產(chǎn)生 o、e 兩種偏振光。但它們的分離的角度比天然方解石棱體的 o、e 光較大。兩光可以同時(shí)用，亦可分開(kāi)用。

讓自然光以偏化角入射在二種不同透明媒質(zhì)的界面時(shí)，可得完全偏振的反射光與部分偏振的透射光。以空氣與玻璃為例，根據(jù)菲涅耳公式(見(jiàn)光在分界面上的折射和反射)，此偏化角(布儒斯特角)為 iP=arctgn。如n=1.5，iP=57°。最簡(jiǎn)單產(chǎn)生與檢查偏振光的偏振鏡是用安置兩塊玻璃。最好用黑色玻璃，或用一般玻璃，反面磨毛涂黑，以吸收透射光及阻擋從玻璃后面射來(lái)的光。自然光先以 iP 角射向下面一塊玻璃，產(chǎn)生偏振垂直入射面的反射光射向第二塊玻璃。當(dāng)上面的玻璃的入射面和下面的平行時(shí)，則可從上面玻璃見(jiàn)到反射光。但如上下玻璃的入射面互相垂直，由于垂直第一塊入射面的偏振成為平行第二塊入射面的偏振，不能被反射，觀察者雖隨第二塊轉(zhuǎn) 90° 角，亦看不到反射光，得黑視場(chǎng)。這里下面一塊稱起偏鏡，上面一塊稱檢偏鏡。只要能產(chǎn)生偏振光的一對(duì)器件，都可以達(dá)到起偏與檢偏作用。這偏光鏡雖簡(jiǎn)單，但入射光與出射光不在一條直線上，使用不便。如利用一堆玻璃片，使入射角也是 iP。由于經(jīng)多片玻璃反射，透射光接近偏振光，而且與入射光在同一個(gè)方向上，很方便。所用的玻璃堆片每片的質(zhì)量要好，表面平，光潔度好，以減少雜散光。

某些雙折射晶體對(duì)二種互相垂直的偏振光具有不同的吸收。例如電氣石吸收 o 光比吸收 e 光大得多。白光經(jīng)過(guò) 1 毫米厚的電氣石晶片，幾乎全部 o 光被吸收而 e 光只略微被吸收。透過(guò)的偏振光略帶黃綠色，足見(jiàn)吸收對(duì)波長(zhǎng)還有依賴關(guān)系。

W.B.赫勒帕思在 1852 年發(fā)現(xiàn)碘化硫酸金雞納(奎寧)針狀結(jié)晶有雙色性吸收。厚約 0.1 毫米的晶體已能完全吸收 o 光。但晶粒微小，當(dāng)時(shí)無(wú)法用以產(chǎn)生偏振光。直至 1934 年才有人將碘化硫金雞納浮懸在膠體中，當(dāng)膠體拉成薄膜時(shí)這些微小晶體隨著拉伸方向排列整齊，起了一大片雙色性晶體的作用。等薄膜干后，把它夾在二塊平面玻璃片之間，制成大面積獲得偏振光的器件。也有用聚乙烯醇薄膜浸透了碘制成。這類薄膜片，商品名 Polaroid，稱偏振片。現(xiàn)在由于塑料工業(yè)的發(fā)展，已有很多種變種偏振片。質(zhì)量好的，可通過(guò)入射光中一個(gè)偏振光的 80%，而通過(guò)另一個(gè)偏振光小于 1%。兩個(gè)偏振片相互垂直，通過(guò)全部入射光的 0.01%，還不能全黑。一般產(chǎn)品，還達(dá)不到這指標(biāo)。所以精密儀器中，還是采用上述棱鏡。雖然偏振片有偏振不純及光較弱的缺點(diǎn)，但它幾乎具有近乎 180° 的孔徑。又不像自然晶體受大小的限制，幾乎可以做得直徑大至數(shù)十厘米的尺寸。而且產(chǎn)品成本低廉，可大量生產(chǎn)。所以在很多實(shí)際應(yīng)用中，小如觀看立體電影的偏光眼鏡，較簡(jiǎn)單的偏光顯微鏡的上下偏光鏡，攝影用的消反光的附加鏡頭，大至光彈儀的起偏與檢偏鏡，都用這種薄膜偏振片。

在 1960 年有人在每毫米約 2160 條的透明光柵上鍍涂金屬鋁膜，形成透明及反射的線柵。類似偏振片的作用，當(dāng)自然光通過(guò)線柵后，和鋁線條平行的偏振被吸收而獲得偏振垂直鋁線條的平面偏振光。其原理是自然光中平行鋁線的電振動(dòng)，易使在鋁線中產(chǎn)生感應(yīng)電流，等同于光被線柵吸收，而垂直鋁線的電場(chǎng)不易被吸收，得以通過(guò)。這思想是從微波引來(lái)的，所以有利于制作紅外光的起偏器。

馬呂斯在 1808 年發(fā)現(xiàn):任何產(chǎn)生單一偏振光的器件，它們的偏振光的透過(guò)平面互相平行的透過(guò)光強(qiáng)最大，為I0 ?；ハ喑?α 角，透過(guò)光強(qiáng) I=I0(cosα)2。這就是馬呂斯定律。這是透過(guò)第一塊偏光鏡的電矢量的振幅，分解在第二塊透過(guò)平面的自然結(jié)果。設(shè)透過(guò)第一塊的電矢量振幅為 E0，則透過(guò)第二塊的為 E=E0cosα。將此式二次方，即為光強(qiáng)。

通過(guò)各向同性分子的散射，自然光被微粒(分子、原子)所散射，如微粒是各向同性的，則在原始光垂直的任何方向上，散射光是平面偏振的;如微粒是各向異性的，則散射光是部分偏振光。設(shè)自然光沿 x 方向射向微粒 O，由于微粒是各向同性的，微粒的感生偶極矩和入射光的電矢量是一致的。這偶極矩作強(qiáng)迫振動(dòng)，輻射次波，就是散射光，在圖中可以看出，散射光在垂直原始光的方向上，是平面偏振光，而在其他方向上是部分偏振光。

光入射到各向異性微粒上，由于被感應(yīng)的偶極矩與入射光的電矢量不是矢量關(guān)系而是張量關(guān)系，感生偶極矩與入射光電矢量方向不一致，所以發(fā)出的次波，在與原始光垂直的方向上不一定是平面偏振光，而一般是偏振程度不高或部分偏振光。

晴朗的天空，在垂直太陽(yáng)光方向用偏振片觀察天空，可以發(fā)現(xiàn)天空光是部分偏振光，偏振片在一個(gè)取向光亮度大，在與之垂直取向亮度小。這是由于散射光進(jìn)行多次散射，另一方面由于大氣中有各向異性小微粒。

在人為安排的各向同性氣體的散射中，可在橫向得到偏振光。這也證明了,是光的電矢量而不是磁矢量,起了光的散射作用。

利用光的散射來(lái)產(chǎn)生需要的偏振光沒(méi)有實(shí)際意義。但反過(guò)來(lái)，利用散射光的偏振程度可以估計(jì)散射微粒的各向異性程度。