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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】& N1、光波偏振态的描述a ja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
2、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1）a1 、 a2 分别是两偏振分量E x a1 cos tE y a2 cos( t)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的振幅， 为光波的圆频率。对于单色光，参数 a1 、 a2 、就完全确定了光波的偏振状态。 以下讨论中，取 a1、 a20当0， 时 ， 式 （ 1 ） 描 述 的 是 一 个 线 偏 振 光 ， 偏 振 方 向 与 x 轴 的 夹 角1 所示）。a2a rc t an （ c o s ） 称为线偏振光的方位角（如图 a1IaExOOiaOi线偏振光自然光02IE
3、y/ 2Ey0ExExEx匕光波通过偏振片后，将变Eyai1ExEy图3椭圆偏振光2、偏振片和马吕斯定律图1线偏振光图2圆偏振光当/ 2， / 2且aia2时，式（1）描述的fi n X钛TE是一个圆偏振光， 其特点是光矢量为角速度旋转，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 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。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
4、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 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。A0A1A2图 4 线偏振光的产生和检测将两个偏振片 P1 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 绕光的传播方向慢慢转动时，透过 一半。再使透过转动，则因为只 动而变化。当P2 时，透过它的光强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P1P1的光强不随P1的转动而变化，但它只有入射光强的1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P2 透寸轴方向的光振动才允许通过，透过P2的光强将随
5、 P2的转勺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|振化方向垂直时，透过它的光强为零，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。:27PiE1 IE2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。动振幅的平方成正比，若以I1表示入射线偏振光的光强，则透过检偏器后的光强丨2为以E1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
6、偏振化方向成角时（图5），透过检偏器的光矢量振幅E2只是E1在图5马吕斯定律偏振化方向的投影，即E2E1 cos 。由于光强和光I 2 I 1 cos2（ 2）这一公式称为马吕斯定律。由此式可见，当0，时，12 7 线偏振光经过波片的偏振态变化1,光强最大；当/2，3 /2时， I20 ，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I2介于0和I 1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
7、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
8、方向的光的传播速度相同，各向 折射率 no 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ne 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 播速度相同，折射率相同，两光线重合， 可以把晶体设计成一种特殊的元件e光。一般情况o光和e光的传播方向不一样，光矢o光、e光的传 字这个方向称为晶体的光轴。利用晶体的双折射现象于波片的表面。当平行单色光垂直入射波片时， 于波片表面，而且光矢量的振动方向互相垂直， 光轴，但是传播速度不相同，即折射率不
9、相同；如果波片厚度为 相位差-波片来产生偏振光。注意的是 在设计波片时光轴是平行在波片分解的o光和e光同方向传播且垂直o光光矢量垂直于光轴，e光光矢量平行于d,从波片出射时就会产生2k2(none)d式中A为光波在真空中的波长,n0、(3)波片厚度不同，丿的称为就不一样。仝波片或12波片；2k勺折射在设计波片时，2乡的波片称为全波片； / 2的称为1/4波片。o光JMd I银I 6双折射现象检偏器 波片 I下面我们考虑线偏振光经过波片后偏振态的变化，见图 光振动方向的方位角为 y方向。入射的线偏振光可沿7。如图7所示，入射的线偏振。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x和y
10、方向分解为 e光和o光，它们同频同相，可表示为：经过波片后，两分量变成式中t tne d / c。由式EeEoae cos t ao cos te ae cos t E。/ao cos( t)(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。具体情况见表线偏振光,(5)1入射光为光轴q1j- -1* t. r 1 丄八 /亠* f i* . i= h.图8波片的特性.:表 1二种波片的偏振状态U/ I J-I J | J 1 L-;波片种类r l|0，/2II /4其它角度0 |:1/4波片线偏振状态保持不变U . t十、t- TFrzt r亠、圆偏振光椭圆偏振光e光zyql/KJ
11、XT I三2 |/ntj J/Ky u ?J y uyj IP光轴对称，相对于入射光转过 线偏振状态保持不变全波片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#9。n2nibr0ni图 9 自然光反射和折射后产生部分偏振光图 i0 布儒斯特角理论和实验都证明，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
12、面的线偏振光（图10）。这个特定的入射角ib称为起偏振角，或称为布儒斯特角。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ib r2(6)根据折射定律，有 n1 sin ibn2 sin r n2 cosib，即 tan ib “2ni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。滑动座导轨和机座图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】.ra| 11I.1、仪器检查（见表2,请打勾，如缺零件请向指导教师报告情i况，实验完成恢复原位）表2仪器青单名称规格数量检查情况导轨和机座l = 1m1套氦氖激光器约 1.5mW1套激光器架1个光学测角台SZ-471套.名称.规格.一数量检杳情况亠黑玻璃镜50 X27 mm1块小白屏70 X501个
