实验十二 偏振现像的观察与分析

实验十二 偏振现像的观察与分析

光是一种电磁波，其电矢量的振动方向垂直于传播方向，是横波。由于一般光源发光机制的无序性，其光波的电矢量的分布（方向和大小）对传播方向来说是对称的，称为自然光。由于某种原因，使光线的电矢量分布对其传播方向不再有对称时，我们称这种光线为偏振光。对偏振现象的研究在光学发展史中有很重要的地位，光的偏振使人们对光的传播（反射、折射、吸收和散射）规律有了新的认识，并在光学计量、晶体性质研究和实验应力分析等技术部门有广泛的应用。

一、实验目的

1、观察光的偏振现象，加深对偏振光理论知识的理解。

2、了解产生和检验偏振光的原理和方法。

二、实验原理

1．偏振光的基本概念

光是一种电磁波，由于电磁波对物质的作用主要是电场，故在光学中把电场强度E称为光矢量。在垂直于光波传播方向的平面内，光矢量可能有不同的振动方向，通常把光矢量保持在固定平面上振动，这种振动状态称为平面振动态，此平面就称为振动面，如图1。此时光矢量在垂直于传播方向平面上的投影为一条直线，故又称为线偏振态。若光矢量绕着传播方向旋转，其端点描绘的轨道为一个圆，这种偏振态称为圆偏振态。如光矢量端点旋转的轨迹为一椭圆，就成为椭圆偏振态，如图2。普通光源发出的光一般是自然光，自然光不能直接显示出偏振现象。但自然光可以看成是两个振幅相同，振动相互垂直的非相干平面偏振光的叠加。在自然光与平面偏振光之间有一种部分偏振光，可以看作是一个平面偏振光与一个自然光混合而成的。其中的平面偏振光的振动方向就是这个部分偏振光的振幅最大方向。

word/media/image1_1.png2．偏振片

虽然普通光源发出自然光，但在自然界中存在着各种偏振光，目前广泛使用的偏振光器件是人造偏振片，它利用二向色性获得偏振光（有些各向同性介质，在某种作用下会呈现各向异性，能强烈吸收入射光矢量在某方向上的分量，而通过其垂直分量，从而使入射的自然光变为偏振光，介质的这种性质称为二向色性）。

偏振器件既可以用来使自然光变为平面偏振光——起偏，也可以用来鉴别线偏振光、自然光和部分偏振光——检偏。用作起偏的偏振片叫做起偏器，用作检偏的偏振器件叫做检偏器。实际上，起偏器和检偏器是通用的，常用的起偏器主要有：

1、反射（或透射）式起偏器

如图3，当自然光在两种媒质的界面上反射和折射时，反射光和折射光都将成为部分偏振光。当入射角达到某一特定值939a5f5d62c869512e51f3b4e76b70ae.png时，反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于入射面，939a5f5d62c869512e51f3b4e76b70ae.png是布儒斯特角，也称为起偏振角，由布儒斯特定律得

3ceb7b9f59a4f91d4f0e0cd9d26c9d31.png (1)

例如，当光由空气射向n=1.54的玻璃板时，939a5f5d62c869512e51f3b4e76b70ae.png=57度

若入射光以起偏振角939a5f5d62c869512e51f3b4e76b70ae.png入射到多层平行玻璃片上，经过多次反射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。由多层玻璃片组成的这种透射起偏振器又称为玻璃片堆。如图4。

图3 图4

2、晶体起偏器

word/media/image6.gif晶体起偏器常见的有格兰棱镜、尼科尔棱镜

等。晶体起偏器是利用晶体的双折射、且光的折

射角与光振动方向有关的原理，改变振动方向互

相垂直的两束线偏振光的传播方向，从而获得两

束分开的线偏振光，如图5所示。

3.偏振光的检测

鉴别光偏振状态的过程称为检偏，它所用的装置称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是通用的，用于产生偏振光的偏振片称为起偏振器，用于鉴别偏振态时就成为检偏器。

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

278517bcd81892e10e105e4f4d93a483.png (2)

式中7943b5fdf911af3ffcf9d8f738478e8a.png为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角。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7943b5fdf911af3ffcf9d8f738478e8a.png=0度时，透射光强度最大；当7943b5fdf911af3ffcf9d8f738478e8a.png=90度时，透射光强度最小；当0度<7943b5fdf911af3ffcf9d8f738478e8a.png<90度时，透射光强度介于最大值和最小值之间。因此，根据透射光强度变化的情况，可以区别光的不同偏振状态。

4. 偏振光通过波晶片时的情形

1、波晶片

波晶片是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，其表面平行于光轴。当一束单色平行自然光正入射到波晶片上时，光在晶体内部便分解为o光与e光。o光电矢量垂直与光轴;e光电矢量平行于光轴。而o光和e光的传播方向不变，仍都与表面垂直。但o光在晶体内的速度为f32423d2b9868cef26c41e39c2d1edc3.png,e光的为5361d0af0de1c4e3771a8caef3639b7f.png即相应的折射率713046b065aa81fbe96db237e539e431.png、161fddc79b30ddbd8d4d76c1a91b1d63.png不同。

设晶片的厚度为l，则两束光通过晶体后位相差为：

dec1f21cdf7e4a820a01ae4461aefb3b.png (3)

式中λ为光波在真空中的波长。当6904c4ca18d61e0f378da6bcd3df0c6b.png时，19621123c6eef71124f716c0b1accc9c.png，我们把这种波晶片称为全波片；当a027d0b36ecacc74913e1ca69878c0b2.png时，f174f0fbea877a8542db5a6fd532f8e3.png，这种波晶片称为半波片（λ/2波片）；当17a8e8ae6fc55572a73702d5c2b8a217.png时，b871c16c61b8c00c63e6f486580cab7d.png，为四分之一波片（λ/4波片），上面的k都是任意整数。从以上结论可以得出，不论全波片，半波片或λ/4片都是对一定波长而言。

2、光束通过波片后偏振态的变化

平行光垂直入射到波晶片后，分解为e分量和o分量，透过晶片，二者间产生一附加位相差σ。离开晶片时合成光波的偏振性质，决定于σ及入射光的性质。

（1）偏振态不变的情形

（a）自然光通过波晶片，仍为自然光。

（b）若入射光为线偏振光，其电矢量E平行e轴（或o轴），则任何波长片对它都不起作用，出射光仍为原来的线偏振光。

除上述二情形外，偏振光通过波晶片，一般其偏振情况是要改变的。

（2）λ/2片与偏振光

（a）若入射光为线偏振光，在λ/2片的前面（入射处）上分解为

8cd7376bd7b8f559399ce5417f9186f6.png

b3fb968082244c3463b885f7baeeacb3.png ε=0或π (4)

出射光表示为

fcba7ab7065434798b1f78488a031a3c.png

c9aa5aa40609fb7618418a966129ff07.png (5)

讨论二波的相对位相差，上式可写为

8cd7376bd7b8f559399ce5417f9186f6.png

7a4159e6fe0c693a180c848dc27a3f03.png

0ec2c2fe20557d44d0b4845ecd178af7.png (6)

出射光二正交分量的相对位相差由5375ae238778cc6d5151c55488a65774.png决定。现在0147fc978d76f4c2846cbeedb8bdfaa3.png和62bb5ca3abcea86c868e6056ccc1e875.png。这说明出射光也是线偏振光，但振动方向与入射光的不同。如入射光与晶片光轴成7943b5fdf911af3ffcf9d8f738478e8a.png角，则出射光与光轴成-7943b5fdf911af3ffcf9d8f738478e8a.png角。即线偏振光经λ/2片电矢量振动方向转过了27943b5fdf911af3ffcf9d8f738478e8a.png角。

（b）若入射光为椭圆偏振光，作类似的分析可知，半波片既改变椭圆偏振光长（短）轴的取向，也改变椭圆偏振光（圆偏振光）的旋转方向。

（3）λ/4片与偏振光

（a）入射光为线偏振光

8cd7376bd7b8f559399ce5417f9186f6.png

b3fb968082244c3463b885f7baeeacb3.png ε=0或π (7)

则出射光为

8cd7376bd7b8f559399ce5417f9186f6.png

25bfa1b9769706285701c189378dd86c.png (8)

上式为椭圆偏振光。194a313775151f2ac7fbe9653999f3aa.png对应于右旋，2941c8dfc8341a2e898eeed20498409c.png对应于左旋。当322f86ea447746d44e782963a692c7ba.png时，出射光为圆偏振光。

（b）入射光为圆偏振光

c8b6468e13ddfad12a49f917ffc2588e.png

4b0fce50a9a9216f2588c62f34dc9280.png (9)

上式为线偏振光。e0c92967d5d30c4f2f59a11e8ecea39e.png出射光电矢量e19add9bba16edd7bc6ca025cd693470.png沿一、三象限；84d033cfa8b1a93a2fa61079c2871fae.png，e19add9bba16edd7bc6ca025cd693470.png沿二、四象限。

（c）入射光为椭圆偏振光

8cd7376bd7b8f559399ce5417f9186f6.png

f1f3f5d057a6cac3bea46858a67111d1.png (10)

出射光为

8cd7376bd7b8f559399ce5417f9186f6.png 25bfa1b9769706285701c189378dd86c.png (11)

可见出射光一般仍为椭圆偏振光。

三、实验仪器

光学平台及其相关附件

四、实验内容和步骤

【实验内容及实验步骤】

图6 实验原理光路图

P1：起偏器；B：扩束器；W：波片；P2：检偏器；C：光屏

1、 定偏振片光轴：按实物图6把仪器按顺序摆放好，并调至共轴。He-Ne激光束通过起偏器P1变成线偏振光，旋转第二个偏振片P2（检偏器），同时观察光屏上的光强变化情况，当光屏上的光最暗（消光）时，固定检偏器，此时，起偏器的偏振轴与检偏器的偏振轴相互垂直。

2、 自行设计实验方案验证马吕斯定律，用硅光电池或光功率计替代图6中的光屏，在起偏器和检偏器光轴正交时，记录相应的示值，然后将检偏器每转10度记录一次，直至转动90度为止，重复几次。

3、 考察平面偏振光通过λ/2波片的情况：

（1）使起偏器P1和检偏器P2偏振轴正交，此时出现消光现象，在两块偏振片之间插入λ/2波长片W，使W绕水平轴转动360度，同时观察光屏C上发生消光现象的次数并作解释。

（2）使起偏器P1和检偏器P2偏振轴正交，插入λ/2波片，使消光，再将λ/2波片转过15度，破坏其消光，旋转检偏器至消光，并记录检偏器旋转的角度。

（3）依次类推，沿相同的方向旋转λ/2波片，每次转动15度，记录达到消光时检偏器P2转过的角度。

（4）将λ/2波片旋转任意角度，这时消光现象被破坏。把检偏器转动360度，观察到什么现象？由此说明通过λ/2波片后，光的偏振状态如何变化？

4、 用1/4波片产生圆偏振光和椭圆偏振光

（1）使起偏器和检偏器正交，用λ/4波长片代替λ/2波长片，转动λ/4波片使消光。

（2）再将λ/4波片转动15度，然后将检偏器转动360度，观察到什么现象？你认为这时从λ/4波片出来光的偏振状态是怎样？

（3）依次将转动总角度为30度，45度，60度，75度，90度，每次将检偏器转动，记录所观察到的现象。

五、实验要求及注意事项

1、 不可用眼睛直接观察激光器光束。

2、 验证马吕斯定律实验中注意测量仪器档位量程的选择。

六、思考题

1、如果在互相正交的偏振片P1和P2中间插进一块1/4 波片（或1/2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？

2、如何用1/4 波片产生和检验圆偏振光和椭圆偏振光？

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/3a1682cc750bf78a6529647d27284b73f242363b.html