实验 18 光的偏振实验亡灵311300 【实验目的】1、 理解偏振光的基本概念，偏振光的起偏与检偏方法；2、 学习偏振片与波片的工作原理与使用方法仪器用具】SGP-2A 型偏振光实验系统【实验原理】1、 光波偏振态的描述一般用光波的电矢量（又称光矢量） 的振动状态来描述光波的偏振按光矢量的振动状态可把光波偏振态大体分成五种：自然光、 线偏振光、 部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光这里重点讨论偏振光的描述一个单色偏振光可分解为两个偏振方向互相垂直的线偏振光的叠加，即（18-1）式中为x方向偏振分量相对于y 方向偏振分量的位相延迟量，21aa，分别是两偏振分量的振幅，为光波的圆频率对于单色光，参数，，21aa就完全确定了光波的偏振状态以下讨论中，取，，021aa当=0，时，式（ 18-1）描述的是一个线偏振光， 偏振方向与x轴的夹角)cosarctan(21 aa称为线偏振光的方位角（如图18-1 所示）当2/2/ ，且21aa时，式（ 18-1）描述的是一个圆偏振光，其特点是光矢量为角速度图 18-1 线偏振光旋转，光矢量的端点的轨迹为一圆的正负决定了光矢量的旋向，2/时为右旋圆偏振光，2/时为左旋圆偏振光（迎着光的方向观察，如图18-2 所示）。
除了上述特殊情况，式（18-1）表示的是椭圆偏振光（如图18-3 所示）图 18-2 圆偏振光图 18-3 椭圆偏振光偏振的一个重要应用是研究光波通过某个光学系统后偏振状态的变化来了解此系统的一些性质2、 偏振片和马吕斯定律偏振片有一个透射轴（即偏振化方向）和一个与之垂直的消光轴，对于理想的偏振片，只有光矢量振动方向与透射轴方向平行的光波分量才能通过偏振片因此光波通过偏振片后，将变成光矢量沿透射轴方向振动的线偏振光，因此利用偏振片可以产生线偏振光将两个偏振片1P和2P平行放置 （如图 18-4），它们的偏振化方向分别用它们上面的虚线表示 当自然光垂直入射1P后产生线偏振光 又由于自然光中光矢量对称均匀，所以将1P绕光的传播方向慢慢转动时，透过1P的光强不随1P的转动而变化，但它只有入射光强的一半再使透过1P形成的线偏振光入射于偏振片2P， 这时如果将2P绕光的传播方向慢慢转动，则因为只有平行于2P透射轴方向的光振动才允许通过，透过2P的光强将随2P的转动而变化当2P的偏振化方向平行于入射光的光矢量方向，即1P和2P的偏振化方向平行时，透过它的 光强最强 当2P的偏振化方向垂直于入射光的光矢量方向，即1P和2P的偏振化方向垂直时，透过它的光强为零，称为消光 。
将2P旋转一周时，透射光光强出现两次最强，两次消光这种情况只有在入射到2P上的光是线偏振光时才会发生，因而这也就成为识别入射光是线偏振光的依据在这个方案中，我们把产生线偏振光的偏振片1P称为 起偏器 ，用以分析光的偏振片2P称为 检偏器 图 18-4 线偏振光的产生和检测以1E表示线偏振光的光矢量的振幅，当入射的线偏振光的光矢量振动方向与检偏器的偏振化方向成角时（图 18-5），透过检偏器的光矢量振幅2E只是1E在偏振化方向的投影，即cos12EE由于光强和光振动振幅的平方成正比，若以1I表示入射线偏振光的光强，则透过检偏器后的光强2I为212cosII(18-2) 这一公式称为马吕斯定律由此式可见，当0，时，12II，光强最大；当2/32/ ，时，02I，没有光从检偏器射出，这就是两个消光位置 但为其它角度时， 光强2I介于 0 和1I之间我们可以根据偏振光透过检偏器后透射光的光强变化情况区分偏振光的偏振状态：旋转检偏器一周，如果出现透射光两次光强最强、两次消光现象的，其入射光为线偏振光； 如果出现两次光强最强、两次光强最弱但不消光的，其入射光为椭圆偏振光；如果每个方向光强都不变图 18-5 马吕斯定律的，则为圆偏振光。
偏振片的应用很广如汽车夜间行车时为了避免对方汽车灯光晃眼以保证安全行车，可以在所有汽车的车窗玻璃和车灯前装上与水平方向成45°角，而且向同一方向倾斜的偏振片 这样，相向行驶的汽车可以都不必熄灯，各自前方的道路仍然照亮，同时也不会被对方车灯晃眼偏振片也可用于制成太阳镜和照相机的滤光镜有的太阳镜，特别是观看立体电影的眼镜的左右两个镜片就是用偏振片做的，它们的偏振化方向互相垂直3、 波片和双折射当一束自然光穿过各向异性的晶体（如方解石晶体） 时分成两束线偏振光的现象称为双折射现象，见图18-6其中的一条折射光服从折射定律，沿各方向的光的传播速度相同，各向折射率0n相同，且在入射面内传播，这一条光称为寻常光，简称o 光另一条折射光不服从折射定律，沿各方向的光的传播速度不相同，各向折射率en不相同，并且不一定在入射面内传播，这一条光称为非常光，简称e 光一般情况o 光和 e 光的传播方向不一样，光矢量振动方向不互相垂直在双折射晶体内存在一个固定的方向，在该方向上o光、 e 光的传播速度相同，折射率相同，两光线重合， 这个方向称为晶体的光轴利用晶体的双折射现象可以把晶体设计成一种特殊的元件——波片来产生偏振光。
注意，在设计波片时光轴是平行于波片的表面当平行单色光垂直入射波片时，在波片分解的o 光和 e光同方向传播且垂直于波片表面，而且光矢量的振动方向互相垂直，o 光光矢量垂直于光轴，e 光光矢量平行于光轴，但是传播速度不相同，即折射率不相同；如果波片厚度为d，从波片出射时就会产生相位差dnne)20（（18-3）图 18-6 双折射现象式中 λ为光波在真空中的波长，0n、en代表 o 光、 e 光在波片的折射率在设计波片时，波片厚度不同，相位差就不一样常用的波片中，若k2的波片称为全波片；k2的称为半波片或1/2 波片；2/k2的称为 1/4 波片下面我们考虑线偏振光经过波片后偏振态的变化，如图 18-7 所示， 入射的线偏振光振动方向的方位角为见图 18-8，光轴在x方向，则e光光矢量在x方向， o 光光矢量在y方向入射的线偏振光可沿x和 y 方向分解为e 光和 o 光，它们同频同相，可表示为：图 18-7 线偏振光经过波片的偏振态变化taEtaEooee coscos （ 18-4）经过波片后，两分量变成（18-5）式中cdntte/18-5）可以看出经过线偏振光经过波片后出来的光一般是椭圆偏振光。
具体情况见表18-1，入射光为线偏振光，] 2,2，（表 18-1 三种波片的偏振态4、 反射起偏振和布儒斯特角自然光在两种各向同性的电介质的分界面上反射和折射时，不仅光的传播方向要改变，而且偏振状态也要发生变化一般情况下， 反射光和折射光都是部分偏振光反射光中振动方向垂直入射面得成分比平行于入射面的成分占优势；折射光中振动方向平行于入射面的成分比垂直于入射面的成分占优势，见图18-9理论和实验都证明， 反射光的偏振化程度和入射角有关当入射角等于某一特定值bi时，反射光是光振动垂直于入射面的线偏振光（图 18-10）这个特定的入射角bi称为起偏振角，当光线以起偏振角入射时，反射光和折射光的传播方向相互垂直，即2rib根据折射定律，有bbinrnincossinsin221即12tannnib（18-6）式（ 18-6）所反映的规律称为布儒斯特定律，起偏振角bi也称为布儒斯特角，是为了纪念在1812 年从实验上确定这一定律的布儒斯特而命名的实验内容与要求】1、 仪器检查（见表2，请打勾，如缺零件请向指导教师报告情况，实验完成恢复原位）表 18-2 仪器清单名称规格数量检查情况导轨L=1m 1 套√He-Ne 激光器约 1.5mW 1 套√激光器架1 个√小白屏7050 1 个√偏振片波片架SZ-51 型1 个√滑动座含横向调节座2 个4 套√偏振片2 片√半波片nm8 .6321 片√1/4 波片nm8 .6321 片√光电探头1 个√光电流放大器AP-1 型1 台√元件盒装有半波片、 1/4 波片2、 偏振片的特性和马吕斯定律的验证（1） 将已装有偏振片的SZ-51 型偏振片波片架（1P置于 0°）和光电探头安装在机座导轨的滑动座上，打开氦氖激光器预热10 分钟，调至等高共轴，然后旋转激光器使光电放大器显示一个较大值（从这我们可以看出所发出的氦氖激光的偏振状态是什么？）。
注意：光电放大器前面板有一个增益调节旋钮，可以酌情调节，但需注意增益过大而溢出2） 将已装有另1 片偏振片的SZ-51 型偏振片波片架2P和小白屏安装在机座导轨的滑动座上，顺序见图18-12，调至等高共轴旋转检偏器2P一周，通过小白屏观察透射光的光强变化现象，请试描述该现象图 18-2 起骗与检偏（3） 验证马吕斯定律：拿掉小白屏， 通过连接光电流放大器的光电探头测量透射光强旋转检偏器2P， 从 0°到 90°， 记录透射光强 （注意测量过程中不可调节增益旋钮）于表 18-3，画出光强I 与2cos的曲线，得出结论表 18-3 光强与角度的关系)/(0 15 30 45 60 75 90 2cos1 43 213/4 1/2 1/4 43 210 I 452 407 308 195 85 19 6 3、 波片的特性研究（1） 起偏器１Ｐ置于 0°不变，检偏器2P置于 90°，即两片偏振片处于正交状态，在它们中间插入半波片C，调至等高共轴， 见图 18-13，旋转波片一周，通过白屏或光电探头观察消光的次数并解释这一现象图 18-13 波片的特性研究（2） 将半波片转至一任意角度（不要取0°、 90°、 180°、 270°），然后旋转检偏器2P一周，观察发生的现象并作出解释。
3） 起偏器1P仍置于 0°不变，检偏器2P置于 90°，转动半波片使消光再将其转动15°，破坏其消光；转动检偏器2P至消光位置，并记录检偏器2P所转动的角度 4） 继续将半波片转15°（即总转动角为30°），记录检偏器达到消光所转总角度依次使半波片总转角为45°、 60°、 75°、 90°，记录检偏器消光时所转总角度，见表 18-4表 18-4 半波片的特性研究半波片转动角度检偏器转动角度15°27°30°55°45°80°60°115°75°140°90°175°【注意事项】1、 切勿用眼睛直视激光器的轴向输出光束，以免视网膜受到永久性的伤害2、 取放光学元件应小心，不许触摸光学表面3、 因有些偏振片的检偏特性不理想，不能完全消光，只有采取比较的方法，找到一个消光相对来说能达到最暗的位置4、 在同一组含有相对光强测量的数据中，光电流放大器的增益调节必须是一致的，实验中可以进行相对光强修正（即读数减掉本底电流）思考问题】1、 迎着太阳驾车，路面的反光很耀眼，一种用偏振片做成的太阳镜能减弱甚至消除这种眩光这种太阳镜较之普通的墨镜有什么优点？应如何设置它的偏振化方向？答：普通的太阳镜只能降低光的强度，不能有效清除亮面的反光和四面八方的眩光，而偏光镜除了防紫外线和降低光的强度以外，还可以有效滤除眩光。
使光的振动平面和偏振轴平行时，偏振光滤光片才能使偏振光透2、 设计一个方案区别自然光、部分偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和线偏振光答：用偏振片进行观察，1.若光强随偏振片的转动没有变化，这束光是自然光或圆偏振光这时在偏振片之前放 1/4 玻片， 再转动偏振片 如果强度仍然没有变化是自然光；如果出现两次消光，则是圆偏振光，因为1/4 玻片能把圆偏振光变为线偏振光；2.如果用偏振片进行观察时，光强随偏振片的转动有变化但没有消光，则这束光是部分偏振光或椭圆偏振光这时可将偏振片停留在透射光强度最大的位置，在偏振片前插入1/4 玻片，使玻片的光轴与偏振片的投射方向平行，再次转动偏振片会若出现两次消光，即为椭圆偏振光，即椭圆偏振片变为线偏振光；若还是不出现消光，则为部分偏振光；3.如果随偏振片的转动出现两次消光，则这束光是线偏振光3、 在透振方向互相垂直的两片偏振片中插入1/2 波片，使光轴和起偏器的透振方向平行， 那么透过检偏器的光是亮还是暗。