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E₀分解为：沿快轴分量`E_f=E₀cosθ`，沿慢轴分量`E_s=E₀sinθ`。

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`β₀`（此时透射光强最大或最小）与长轴方向（即1/4波片快轴方向）的夹角等于椭圆率角χ。即`χ=β₀`。

f.判断旋向：根据`β₀`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`(S₀,S₁,S₂,S₃)`来完整描述。对于完全偏振光（包括椭圆偏振光），有`S₀²=S₁²+S₂²+S₃²`。

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：

`S₀=I(0°)+I(90°)`(总光强)

`S₁=I(0°)-I(90°)`(0°vs 90°线偏振分量差)

`S₂=I(45°)-I(135°)`(45°vs 135°线偏振分量差)

`S₃=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)=S₂/S₁`(需注意象限)

椭圆率角`χ`：`sin(2χ)=S₃/S₀`

旋向：`S₃>0`通常表示左旋（LHC），`S₃<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`可以非常小（接近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。