[光学原理与应用-460]：波动光学 - 光的折射会改变光的偏振方向，但具体改变程度取决于入射角、介质折射率以及光的初始偏振状态
光的折射会改变光的偏振方向，但具体改变程度取决于入射角、介质折射率以及光的初始偏振状态。以下是详细分析：
一、折射改变偏振方向的核心机制
菲涅耳方程的偏振选择性
光在介质界面折射时，电场分量可分解为：- s偏振（垂直于入射面的分量）
- p偏振（平行于入射面的分量）
根据菲涅耳方程，s偏振和p偏振的折射率（ns、np）和透射系数（ts、tp）通常不同，导致折射光中两分量的振幅和相位关系发生变化，从而改变偏振方向。
折射率与偏振的关系
- 在各向同性介质中，折射率对s和p偏振相同，折射光偏振方向与入射光一致（但振幅可能变化）。
- 在各向异性介质（如双折射晶体）中，s和p偏振的折射率不同（no=ne），导致两分量传播速度不同，折射光偏振方向发生旋转或变为椭圆偏振。
二、折射对不同初始偏振态的影响
- 自然光（非偏振光）
- 折射后仍为自然光，但若介质各向异性（如方解石），会分解为两束偏振方向垂直的线偏振光（寻常光和非寻常光）。
- 线偏振光
- 各向同性介质：
偏振方向与入射面成 ϕ 角时，折射光中s和p分量的振幅为：
Es=E0sinϕ⋅ts,Ep=E0cosϕ⋅tp
- 若 $t_s \neq t_p$，折射光偏振方向会旋转（除非 $\phi = 0^\circ$ 或 $90^\circ$）。 |
- 各向异性介质：
- 双折射效应导致s和p分量相位差积累，折射光变为椭圆偏振光（特殊情况下为圆偏振光）。
- 示例：线偏振光通过方解石晶体后，出射光为两束偏振方向垂直的线偏振光。
3. 圆偏振光或椭圆偏振光
- 折射后偏振态通常变为另一种椭圆偏振光，具体形状取决于 ts、tp 的振幅比和相位差。
- 特殊情况：若 ∣ts∣=∣tp∣ 且相位差为 ±π/2，折射光仍为圆偏振光（但旋向可能改变）。
三、关键影响因素
- 入射角
- 影响透射系数 ts 和 tp 的大小，从而改变折射光中s和p分量的比例。
- 布儒斯特角附近：当入射角接近布儒斯特角时，p偏振光的反射率趋近于零，折射光中p偏振分量增强，偏振方向更接近入射面。
- 介质折射率
- 各向同性介质：折射率 n 决定透射系数，但 ns=np，偏振方向仅因振幅变化而旋转。
- 各向异性介质：双折射率 Δn=∣ne−no∣ 越大，偏振方向改变越显著（如方解石中 Δn≈0.17）。
- 波长
- 折射率通常随波长变化（色散效应），导致不同波长光的折射偏振特性不同（如白光通过晶体后出现彩色分光现象）。
四、实际应用中的偏振控制
- 波片（Wave Plate）
- 利用双折射晶体（如云母、石英）制作，通过控制厚度使s和p分量产生特定相位差，实现线偏振光到圆偏振光或椭圆偏振光的转换。
- 示例：1/4波片可将线偏振光转为圆偏振光，用于3D电影、激光调制等领域。
- 偏振分束器（PBS）
- 结合折射和反射原理，在特定角度下分离s和p偏振光（如玻璃堆偏振片）。
- 应用：光学通信中分离信号光和泵浦光，提高系统效率。
- 光学传感与成像
- 利用折射偏振特性检测材料各向异性（如应力分析、生物组织成像）。
- 示例：偏振光显微镜通过分析折射偏振方向，区分各向同性（如液体）和各向异性（如晶体）样本。
五、总结
- 折射必然改变偏振方向：除非介质完全各向同性且入射角为0°（垂直入射），否则折射光中s和p分量的振幅比和相位差会发生变化，导致偏振方向旋转或偏振态改变。
- 双折射效应是关键：在各向异性介质中，折射率差异导致偏振方向显著改变，是偏振光学器件（如波片、偏振分束器）的核心原理。
- 实际应用需综合考量：入射角、介质折射率、波长等因素需协同设计，以优化偏振控制效果或抑制不必要的偏振效应。