1、偏振光的研究【实验目的】（1）观察光的偏振现象，了解振动的基本规律。（2）掌握产生偏振光和检验偏振光的条件与方法。（3）了解和观察 1/4 波片、1/2 波片和全波片对偏振光的作用。（4）验证马吕斯定律。【实验原理】1. 自然光与偏振光光是一种电磁波（横波） ，这种电磁波的电矢量（光矢量）E 的振动方向垂直于光的传播方向，光的偏振是横波所特有的现象。光的振动方向和传播方向组成的平面称为振动面。按 E的振动状态不同，最常见的可分为五种，如图 3.12.1 所示。图 3.12.1 自然光与偏振光光矢量 E的振动在垂直于传播方向的平面内有无穷多个，均匀分布、振幅相等，这样的光为自然光。在除激光以外的
2、一般光源发出的光中，包含着各个方向的光矢量，没有哪一个方向比其他方向占优势，所以一般光源发出的光都是自然光。自然光经过某些物质反射、折射或是吸收后，可能只保留某一方向的光振动，叫做线偏振光，简称偏振光。若光波中，某一方向的光振动比与之垂直方向的光振动占优势，这种光叫做部分偏振光。偏振光通过双折射物质后，所产生的两束偏振光可能是相干的，这两束偏振光的振动方向相互垂直，所以与两个相互垂直的同周期振动合成一样，光矢量 E的端点将描绘出椭圆轨迹，称为椭圆偏振光。在特殊情况下，如果两束偏振光的振幅相等，就成为圆偏振光。在一定条件下，它们是可以互相转化。即自然光线偏振光椭圆（或圆）偏振光线偏振光。2. 偏
3、振光的产生将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏，起偏的装置称为起偏器。偏振光产生的方法常为以下几种：（1）反射产生偏振光。如图 3.12.2 所示，当一束自然光从一种介质（折射率为 n1）以入射角 i 照射在折射率为 n2 的非金属表面（如玻璃）上时，经玻璃表面反射和折射时，反射光和透射光都成了部分偏振光，如图 3.12.2 所示。反射和折射产生部分偏振光图 3.12.2布儒斯特（D. Brewster）在 1812 年指出，反射光偏振化的程度与入射角 i 有关，当 i 等于i0而满足：201tani反 射 光 变 为 线 偏 振 光 ， 其 振 动 方 向 与 入 射 面 垂 直 ， 此 即
4、为布 儒 斯 特 定 律 。 此 时 的 入 射 角 i0称 为 “起 偏 振 角 ”， 又 称 为“布 儒 斯 特 角 ”。 事 实 上 ， 当 i i0时 ， 入 射 角 i0与 折 射 角 之 和 恰 为 /2， 如 图 3.12.3 所 示 。 一 般 介 质 在 空 气 中 的 起偏 角 为 53 58， 因 玻 璃 折 射 率 约 为 1.5， i0则 约 为 56。（2）折射产生偏振光。当自然光以布儒斯特角 i0入射到一个单独的玻璃面时，垂直于入射面的振动只被反射 15%，大部分都被折射入玻璃板内。因此对于折射光来说，虽然光强较强，但是它的偏振度很低。如果入射到多层平行玻璃板上，
5、经过多次反射最后透射出来的光也就接近于线偏振光，其振动面平行于入射面。这种透射起偏器又称为玻璃片堆，如图3.12.4 所示。玻璃片堆多次折射产生偏振光图 3.12.4（3）双折射产生的偏振光。一束光线在两各向同性介质的界面上所产生的折射光只有一束，它满足折射定律。而对于各向异性介质，一束入射光通常被分解成两束折射光，这种现象称为双折射现象。其中一条折射光满足折射定律，称为寻常光（o 光） ；它在介质中传播时，各个方向的速度相同。另一条光不满足折射定律，称为非常光（e 光） ，它在各向异性介质内的速度随方向而变，这就是产生双折射现象的原因。在一些双折射晶体中，有一个或几个方向 o 光和 e 光的
6、传播速度相同，这个方向称为晶体的光轴。光轴和光线构成的平面称为主截面。o 光/2 布儒斯特角图 3.12.3和 e 光都是线偏振光，o 光的光矢量振动方向垂直于自己的主截面，e 光的光矢量振动方向在自己的主截面内，如图 3.12.5 所示。如方解石晶体做成的尼科耳棱镜即只让 e 光通过，使入射的自然光变成线偏振光。（4）二向色性晶体产生偏振光。一些晶体（如电器石、人造偏振片）对两个相互垂直的点矢量具有不同的吸收本领，这种选择吸收性，称为二向色性。本实验所采用的硫酸碘奎宁晶体膜即为具有二向色性的偏振膜，当自然光通过此种偏振膜时，其中一成分的振动几乎被完全吸收，而另一成分的振动几乎没有损失即可获得
7、偏振光，如图 3.12.6 所示。双折射产生的偏振光 二向色性晶体产生的偏振光图 3.12.5 图 3.12. 6 3. 起偏器、检偏器及马吕斯定律在光学实验中，常利用某些装置移去自然光中的一部分振动而获得偏振光，人们把从自然光中获得偏振光的装置称为起偏振器（起偏器） ，用于检查偏振光的装置，称为检偏振器（检偏器） 。起偏器和检偏器是通用的。各种偏振器只允许某一方向的偏振光通过，这一方向称为偏振器的“偏振化方向” ，通俗地称为“通光方向” 。当起偏振器和检偏振器的通光方向互相平行时，通过的光强最大；当二者的通光方向互相垂直（即正交）时，光完全不能通过，如图 3.12.7 所示。那么，介于二者之
8、间的情况又如何呢？ E0 E0 E E E0 E0 E E0 E E I=E02 I=E2 I=E02 I=E2 I=E02 I=E2 E=0cos0=E0 I=0 E=0cos90=0 I=0 E=0cos I=0 cos2 起偏器、检偏器及马吕斯定律图 3.12.7按照马吕斯定律，强度为 I0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为II 0cos2 （3.12.1）式中 入射光振动方向与检偏器主截面之间的夹角。显 然 ， 当 以 光 线 传 播 方 向 为 轴 转 动 检 偏 器 时 ， 透 射 光 强 度 I 将 发 生 周 期 性 变 化 。 当 检 偏器 旋 转 360时 ， 光 强
9、变 化 出 现 两 个 极 大 （ 0和 180的 方 位 ） 和 两 个 极 小 （ 90和 270的 方 位 ） ，这 样 ， 根 据 透 射 光 强 度 变 化 的 情 况 ， 我 们 可 以 将 线 偏 振 光 与 其 他 自 然 光 和 部 分 偏 振 光 区 别 开 来 。4. 波 片波片是用来改变或检验光的偏振情况的晶体薄片，其结构是光轴平行于晶面的各向异性的晶体片。下面讨论当线偏振光通过波片后的变化和对应条件。当线偏振光垂直射入一块表面平行于光轴的晶片时，其振动面与晶片的光轴成 角，将光分解为 e 光和 o 光两部分，它们的传播方向一致，但振动方向平行于光轴的 e 光与振动方向
10、垂直于光轴的 o 光在晶体中的速度不同，因而产生了光程差 ，对应的 e 光与 o 光的eo()dn位相差为 eo2()dn式中，n e和 no为晶体对 e 光和 o 光的折射率，d 为光线穿过晶体的厚度，这种能使振动互相垂直的两束线偏振光产生一定位相差的晶片叫做波片。在上式中，e 光和光合成振动随相位差的不同，就有不同的振动方式：（1） （k0，1，2）为正椭圆偏振光。（2） 不等于以上各值为椭圆偏振光。晶片根据不同的厚度可分为全波片、1/2 波片，1/4 波片。（1）全波片。当 时，2k （k0，1，2，）出射光为线偏振光，与原入射光振动方向相同，满足此条件的晶片叫全波片。光通过全波片不发生
11、振动状态的变化。（2）1/2 波片。当 时，2)(2k+1) （k 0，1，2 ）满足此条件的晶体叫 1/2 波片或半波片。线偏振光通过半波片后，出射光即 o 光和 e 光合成的光仍为线偏振光。振动面相对于原入射光的振动面转过了 2。当 时， 玻片使线偏振光的振动面转过 ，即出射光的振动面与入射光的振动面垂直。（3）1/4 波片。当 时，4)12(k(2k+1)(/2) （k0，1， 2）出射光为椭圆偏振光，椭圆的两轴分别与晶体的主截面平行及垂直，满足此条件的晶片叫 1/4波片。1/4 波片使线偏振光转化成椭圆偏振光，反之，椭圆偏振光通过 1/4 波片后，有可能变为线偏振光。显然，一个 1/4
12、 波片仅仅只能适合某一给定波长。o 光和 e 光的光程差（n on e）等于，对于不同的波长，1/4 波片的厚度不同。(21)4k由于 o 光和 e 光的振幅是 的函数，所以线偏振光通过 1/4 波片后的合成偏振状态也将随角度 的变化而不同，总结如下：当 0时，出射光为振动方向平行于 1/4 波片光轴的线偏振光。当 /2 时，出射光为振动方向垂直于光轴的线偏振光。当 /4 时，出射光为圆偏振光。当 为其他值时，出射光为椭圆偏振光。【实验内容】1. 起偏和检偏（1）以 P2为检偏器，光源发出的光射在 P2上，旋转 P2一周，观察并描述光透过 P2的光强度变化情况。最后用光电探测器接收。（2）以
13、P1作起偏器，P 2作检偏器。固定 P1，旋转 P2，观察并描述透过 P2的光强变化情况，然后与（1）的结果比较，并对上述现象做出解释。用光电接收并将记录填入表 3.12.1 中，如图3.12.8 所示。验证马吕斯定律光路图 3.12.82. 椭圆和圆偏振光的产生及观察（1）按图 3.12.8，在光路上依次放好光源 S，起偏器 P1及检偏器 P2，并使 P1和 P2正交，这时应看到消光现象。（2）插入 1/4 波片 C1，转动 C1，使光通过检偏器 P2处于消光位置。（3）分别依次把 Cl转动到（从消光位置起计）0 、30、45、60、75 、90，并每次把P2转动 360，记录所观察到的现象
14、；并说明 C1各角度其透出光的偏振性质。当 C1处于 45时，取出 P1再转动 P2，观察与有 P1时有什么不同。光电接收记录填入表 3.12.2 中。3. 圆偏振光和部分偏振光的检验上面实验中我们用一个偏振片 P2，可以将平面偏振光与圆偏振光和椭圆偏振光等区别开来，但是对圆偏振光和自然光的区分，椭圆偏振光和部分偏振光的区分，仅仅用一个检偏器是不够的，这时就需要再加上一个 1/4 波片。（1）按图 3.12.8，使 P1、P 2正交，插入 1/4 波片 C1，并使 C1由消光位置转动 45，这时转动 P2，看到光强不变。此时光的偏振性质如何？（2）然后把另一个 1/4 波片 C2插在 C1与
15、P2之间，再转动 P2，看到什么结果？记录此结果，并说明圆偏振光经过 l/4 波片以后其偏振性质有何变化。（ 3） 从 光 路 上 去 掉 起 偏 器 P1 和 1/4 波 片 C1， 使 来 自 光 源 的 光 通 过 C2， P2 再 转 动360， 此 时 观 察 到 什 么 现 象 ？ 光 电 接 收 记 录 填 入 表 3.12.3 中 。【实验思考与注意】（1）了解自然光与偏振光的性质。了解线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光的特点。思考如何由自然光获得线偏振光、部分偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光？如何将它们区分开来？（2）了解光电池与检流计的工作原理。（3）如何利用测布儒斯特角的原理，确定一块偏振片的透光轴的方向。（4）如何用光学方法区分 1/2 波片和 1/4 波片？（5）下列情况下理想起偏器、理想检偏器两个光轴之间的夹角为多少？ 透射光是入射自然光强的 1/3。 透射光是最大透射光强的 1/3。（6）如果在互相正交的偏振片 P1、P 2中间插进一块 1/4 波片，使其光轴跟起偏器 P1的光轴平行，那么，透过检偏器 P2的光斑是亮的还是暗的？为什么？将 P2转动 90后，光斑的亮暗是否变化？为什么？（7）设计一个实验装置，用来区别自然光、圆偏振光、线偏振光加自然光。
