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1、实验 07 光的偏振实验光波是特定频率范围内的电磁波。在自由空间中传播的电磁波是一种横波，光波的偏振 特性清楚地显示了光的横波性，是光的电磁理论的一个有力证明。本实验研究光的一些基本 的偏振特性，通过实验深入学习有关光的偏振理论。【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。
2、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1）=a cos t1=a cost + 6)2式中6 为 x 方向偏振分量相对于 y 方向偏振分量的位相延迟量， a1 、 a2 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a、a、6就完全确定了光波的偏振状态。以下讨论中，取a、a 0,1 2 1 2兀W兀。当6 = 0,兀时，式（1 ）描述的是一个线偏振光，偏振方向与轴的夹角a = arctan（空cos6）称为线偏振光的方位角（如图1所示）。 a1图 2圆偏振光当6二兀12,兀/2且a二a时，式（1）描述的是12一个圆偏振光，其特点是光矢量为角速度旋转，光矢 量
3、的端点的轨迹为一圆。6 的正负决定了光矢量的旋向 6二兀/2时为右旋圆偏振光，6二-兀/2时为左旋圆偏 振光（迎着光的方向观察，如图2 所示）。除了上述特殊情况，式（1）表示的是椭圆偏振光（如 图3 所示）。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。线偏振光P2图 4线偏振光的产生和检测将两个偏振片P
4、1和P2平行放置（如图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P1后产生线偏振光。又由于自然光中光矢量对称均匀，所以将P1 绕光的传播方向慢慢转动时，透过P1的光强不随P1的转动而变化，但它只有入射光强的 一半。再使透过P1形成的线偏振光入射于偏振片P2,这时如果将P2绕光的传播方向慢慢 转动，则因为只有平行于P2透射轴方向的光振动才允许通过，透过P2的光强将随P2的转 动而变化。当P2的偏振化方向平行于入射光的光矢量方向，即P1和P2的偏振化方向平行 时，透过它的光强最强。当P2的偏振化方向垂直于入射光的光矢量方向，即P1和P2的偏马吕斯定律振化方向垂直时，透过它的
5、光强为零，称为消光。将 P2 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P2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P1称为 起偏器，用以分析光的偏振片P2称为检偏器。以 E 表示线偏振光的光矢量的振幅，当入射的线 1偏振光的光矢量振动方向与检偏器的偏振化方向成9 角时（图5），透过检偏器的光矢量振幅E只是E在21偏振化方向的投影，即E二E cos9。由于光强和光21振动振幅的平方成正比，若以11表示入射线偏振光的光强，则透过检偏器后的光强12为2)I = I cos2 921这一公式称为马吕斯定
6、律。由此式可见，当9二0,兀时，-二11，光强最大；当9 =兀/23兀/2时，12二0，没有光从检偏器射出，这就是两个消光位置。但9为其它角度时，光强 I 介于 0 和 I 之间。21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
7、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 n 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 o从折射定律，沿各方向的光的传播速度不相同，各向折射率 n 不相同，并且不一定在入射面 e内传播
8、，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。注意的是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2k& =(n n )d(
9、3)九 o e式中入为光波在真空中的波长，n、n代表。光、e光在波片的折射率。在设计波片时，0e波片厚度不同，相位差就不一样。常用的波片中，若&二2kK的波片称为全波片；& = 2k兀+兀的称为半波片或1/2波片；& = 2k兀土兀/2的称为1/4波片。光轴9检偏器波片图 7线偏振光经过波片的偏振态变化下面我们考虑线偏振光经过波片后偏振态的变化，见图7。如图7 所示，入射的线偏振光振动方向的方位角为0。见图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：E = a cos teeE = a cos too4)经
10、过波片后，两分量变成=a cos te=a cos(t + )o式中t二t - n d /c。由式(5)可以看出经过线偏振光经过波 e片后出来的光一般是椭圆偏振光。具体情况见表1,入射光为线偏振光，0(- 2,2 波片种类10 |= 0,兀/210 |=兀/4其它角度1/4波片线偏振状态保持不 变圆偏振光椭圆偏振光1/2波片线偏振状态保持不 变线偏振光，但透射光振动方向与入射光关于 光轴对称，相对于入射光转过2角全波片线偏振状态保持不变表1三种波片的偏振状态4、反射起偏振和布儒斯特角iibbr)n2ninni图 9自然光反射和折射后产生部分偏振光图 10布儒斯特角自然光在两种各向同性的电介质的
11、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ib时,反射光是光振动垂直于入射面的线偏振光（图10）。这个特定的入射角i称为起偏振角，或 b称为布儒斯特角。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，即兀i + r =b 2.n根据折射定律，有n smi = n smr = n cosi，即 tani = 2（6）
12、1 b 22 bb n1式（6）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。【仪器介绍】SGP-2A型偏振光实验系统测角台偏振片波片架图11偏振光实验系统主要部件：导轨和和机座、氦氖激光器和激光器架、光电探头和光电流放大器、光学测角台 （SZ-47）、偏振片波片架（SZ-51, X轴旋转架）3个、滑动座4套，以上部件见图11。图 上没标的其它部件有小白屏、黑玻璃镜、偏振片2片、半波片、1/4波片。【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2仪器清单名称规格数量检杳情况导轨和机座l= 1m1套氦氖激光器约
13、1.5mW1套激光器架1个光学测角台SZ-471套名称规格数量检杳情况黑玻璃镜50x27 mm1块小白屏70x501个偏振片波片架SZ-513个滑动座含横向调节座2个4套偏振片2片半波片九二 632.8nm1片1/4波片X=632.8nm1片光电探头1个光电流放大器AP-1 型1台元件盒装有黑玻璃镜、斗自皮片、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（P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
14、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P2和小白屏安装在机座导轨的滑动 座上，顺序见图12,调等高共轴。旋转检偏器P2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 12起偏与检偏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P2,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3,画出光强I与cos 29的曲线，得出结论。表3光强与角度的关系9 （）0153045607590cos 2 9I3、波片的特性研究（1） 起偏器P1置于0不变，检偏器P2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现象。P c P1 2白屏白屏光电探头图 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 P2 一周，观察发生的现象并作出解释。（3）起偏器P仍置于0不变，检偏器P2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P2至消光位置，并记录检偏器P2所转动的角度。
