双光束干涉中偏振态分布的演示实验

刘 畅 周 翌 郭晓峥 罗锻斌

（华东理工大学物理系，上海 200237）

光的干涉现象是指两个或多个光波（光束）在某区域叠加时，在叠加区域内出现的各点强度稳定的强弱分布现象[1，2].光的干涉现象、衍射现象和偏振现象是波动过程的基本特征，是波动光学研究的主要内容.两个振动方向相同（或者有方向一致的平行振动分量）、频率相同的单色光波叠加时将发生干涉现象[1].但是，当两光波相遇时成某一角度的情形中，如果两光波的振动方向相互垂直，那么叠加区域内各点的光强度都应等于两个光波的强度之和（虽然从两个光源到叠加区域内各点的位相差不相同），即在这种情况下不再发生干涉现象.

对于两个振动方向相同、频率相同的单色光波叠加，将会出现光强的强弱的空间周期分布；而对于振动方向相互垂直的两光波，其叠加区域不能出现光强的强弱周期分布，但是，在两光束交叠区域，由于光程差的不同，会导致相位差的周期分布.也就是说，两个振动方向相同、频率相同的单色光波叠加，它们的叠加区域将出现光强的周期分布，而偏振态保持不变；如果两光波的振动方向相互垂直，那么叠加区域光强均匀分布，但偏振态将出现周期性的分布[2].光强明暗的周期分布是直观和容易理解的，但偏振态的分布则是光的干涉中容易忽略而且比较抽象的问题.如何让学生直观地理解上述的两类干涉现象，笔者利用一种对特定波长光的偏振态敏感的染料作为取向分子，形象地演示了两种干涉条件下光束偏振态的分布.

我们选用的是一种很常见的分散红13（DR13）偶氮染料，利用它可以很方便地在有机玻璃基体中通过主客掺杂方式得到十几微米厚度的薄膜样品.大量的实验表明[3-7]，样品中的这种偶氮染料分子在特定波长（如532nm）线偏振光作用下，会通过Trans-Cis-Trans（反式-顺式-反式）异构化循环，最后趋于与照射光偏振方向垂直的取向[3，4].而这种光致分子取向将导致光致折射率改变.我们就是利用这种折射率改变反过来说明光的干涉过程中偏振态的改变.

实验光路如图1所示，它是典型的全息干涉记录光路.选择半导体激光器的532nm线偏振的绿光作为写入光.532nm的光束1经分束器（B.S.）分成光束2和光束3.利用光束1中的起偏器P3和1／4波片，可以使光束2和光束3的光强近似相等.光束2和3以约12°的夹角（θ约为6°）相交于样品上，在样品表面形成直径约3mm光斑.光束2和3的偏振方向可以通过起偏器P1和P2进行调节.来自He-Ne激光器的红光（632.8nm）作为探测光（约2mW）与写入光照射于样品上同一点.探测光光束基本等分光束2和3形成的夹角.探测光的光斑直径约2mm.当样品中形成光栅结构后，可以在样品后放置的白屏（图中未画出）上观察到探测光的一级衍射光斑和写入光的一级自衍射光斑，如图2所示.实验演示均在室温下进行.

图1 折射率栅实验光路示意图

对于偏振器P1和P2透偏方向相互平行的情况（SS），根据光束2和光束3在样品表面交迭形成的光程差，两束干涉光的相位调制以光强的空间周期分布方式被记录，在样品表面形成明暗周期分布的光强分布，如图3（a）所示.在亮条纹的区域，总光场的偏振方向均为线偏振且与原偏振方向相同如图3（b）所示.根据偶氮染料DR13的光学特性，在光束2和光束3偏振相互平行的情况下，在光照区内，DR13生色团主要是产生平面内（平行于样品表面）取向，取向将趋于垂直于写入光的偏振方向.由于样品未被光照时，样品中的DR13生色团的取向是随机无序的，样品表现为光学各向同性，若此时样品的折射率设为n0，那么当写入光开启后，在光照区样品中的DR13生色团产生有序取向，必然导致该光照区折射率的改变，设此时该光照区域的折射率为n1；而在干涉条纹暗区，生色团分子仍保持为无序取向，折射率仍为n0（光学各向同性时样品的折射率）.这样，写入光在样品表面亮暗、亮暗的光强周期分布，在样品中则形成了折射率n1n0、n1n0的周期分布，也就是写入了一个与光强相对应的折射率栅结构.这种光栅结构对写入光和探测光均有衍射效应，如图2（a）所示.

图2 探测光的一级衍射光斑（左，红光）和写入光的一级衍射光斑（右，绿光）

图3 P1、P2相互平行（SS）时（a）样品表面的写入光的光强分布；（b）样品中写入光的偏振态分布；（c）样品中不同区域偶氮染料分子的取向态分布

而对于偏振器P1和P2透偏方向相互垂直的情况，在实验中各旋转P1和P2±45°.由于两束写入光的偏振方向相互垂直，因此不存在光强栅，样品表面写入光的光强分布如图4（a）所示.但根据光束2和光束3在样品表面交迭形成的光程差，样品表面可以形成总光场的偏振态的周期分布.也就是说，随着光束2和光束3不同交叠区域相位差的变化，两者合成的偏振态，可以在样品表面形成线偏振、椭圆偏振、圆偏振等光场偏振态的周期性分布，见图4（b）.根据DR13生色团的光致取向，在线偏振区域有生色团的平面内取向，在椭圆和圆偏振区域还会发生生色团的平面外（垂直于样品表面）取向.因为只有当DR13生色团取向垂直于写入光的偏振态时，光致异构反应才会停止.所以，在椭圆和圆偏振区域，将会发生DR13生色团垂直于样品表面的取向，如图4（c）所示.由于两束写入光在样品表面合成偏振态的周期分布，使得样品中的DR13生色团的取向产生周期分布；而样品中不同的生色团分布，又使得样品的折射率也出现周期性分布，从而在样品中形成折射率栅，进而对探测光和写入光产生衍射效应，如图2（b）所示.

图4 P1、P2相互垂直时（±45°偏振）（a）样品表面的写入光的光强分布；（b）样品中写入光的偏振态分布；（c）样品中不同区域偶氮染料分子的取向态分布

利用偶氮染料分子对激发光偏振的敏感性，通过全息干涉实验光路，在偶氮化合物样品中可以形成两种折射率栅.对于两束偏振方向相互平行的写入光，全息干涉通过光强周期分布写入折射率栅结构，可称为光强栅；而对于两束偏振方向相互垂直的写入光，全息干涉通过两束写入光合成偏振态的周期分布写入折射率栅结构，可称为偏振栅.而探测光的衍射和写入光的自衍射直观地说明了这两种折射率光栅的存在.这两种折射率光栅来源于偶氮生色团的周期性取向分布，而偶氮生色团的周期性取向分布又来自光束照射区域的偏振态的周期分布，而偏振态的周期分布又取决于双光束叠加区域的相位差的分布.所以，正是由于偶氮染料分子对激发光偏振的敏感性，可以很直观地理解在不同偏振组合光束的干涉区域光的偏振态的分布情况.

[1]钟锡华.现代光学基础 [M].2版.北京：北京大学出版社，2012.

[2]梁铨廷.物理光学 [M].3版.北京：电子工业出版社，2008.

[3]Xie S，Natansohn A，Rochon P.Recent developments in aromatic azo polymers research [J].Chem Mater，1993，5（4）：403-411.

[4]Natansohn A，Rochon P.Photoinduced motions in azo-containing polymers [J].Chem Rev，2002，102（2）：4139-4150.

[5]Natansohn A，Rochon P.The versatility of azobenzene polymers[J].Can J Chem，2001，79（6）：1093-1105.

[6]Gabriel I，Labarthet F L，Natansohn A，et al.Control of chirality of an azobenzene liquid crystalline polymer with circularly polarized light[J].J Am Chem Soc，2000，122（51）：12646-12650.

[7]Rochon P，Gosselin J，Natansohn A，et al.Optically induced and erased birefringence and dichroism in azoaromatic polymers[J].Appl Phys Lett，1992，60（1）：5-7.