光的偏振现象的实验研究

1、光的偏振现象的实验研究摘要：本文从理论上介绍了自然光、线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光等的概念；以及产生、鉴别这几种偏振光的方法；介绍了1/2，1/4玻片的定义和1/2，1/4玻片的光学特性；以及研究1/2，1/4玻片光学特性实验过程，实验结果和实验现象分析。然后由实验验证马吕斯定律，以及测反射光为线偏振光时的入射角，即测量布儒斯特角。关键词：波片；马吕斯定律；布儒斯特角；分析引言 偏振是横波的重要标志，光波属于横波。在光学学习过程中，干涉、衍射、偏振都是波动光学的主要内容。本文将从理论和实验两方面对光偏振问题做出分析，主要内容包括：用实验来研究波片的光学性质，对马吕斯定律的验证以及布儒斯特角的

2、测量。以光偏振在日常生活中的应用结尾，理论与实践相结合，加深对光的偏振现象的理解，拓宽对光学领域的认识。1光偏振现象的基本理论1.1偏振的基本概念光是一种电磁波,电磁波是横波。光波是电磁波,因此,光波的传播方向就是电磁波的传播方向。光波中的电振动矢量E和磁振动矢量H都与传播速度v垂直，因此光波是横波，它具有偏振性。而振动方向和光波前进方向构成的平面叫做振动面，光的振动面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或线偏振光。振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振,它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志,只有横波才有偏振现象。具有偏振性的光则称为偏振光。偏振光是指光矢量的振动方向不变，或具有某种规则地

3、变化的光波。按照其性质,偏振光又可分为平面偏振光（线偏振光）、圆偏振光和椭圆偏振光、部分偏振光几种。如果光波电矢量的振动方向只局限在一确定的平面内，则这种偏振光称为平面偏振光，若轨迹在传播过程中为一直线，故又称线偏振光。如果光波电矢量随时间作有规则地改变，即电矢量末端轨迹在垂直于传播方向的平面上呈圆形或椭圆形,则称为圆偏振光或椭圆偏振光。如果光波电矢量的振动在传播过程中只是在某一确定的方向上占有相对优势,这种偏振光就称为部分偏振光。1.2 1/2，1/,4波片定义波片，又称为相位延迟片，它是由双折射的材料加工而成。它使通过波片的两个互相正交的偏振分量产生相位偏移，可用来调整光束的偏振状态。常见

4、的波片由石英晶体制作而成，主要为二分之一波片和四分之一波片。一定厚度的双折射晶体,当法线入射的光透过时,寻常光(o光)和非常光(e光)之间的相位差等于或其奇数倍,这样的晶片称为二分之一波片,简称半波片。半波片可以对偏振光进行旋转。因为线偏振光垂直入射到半波片，透射光仍为线偏振光，假如入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为，则透射出来的线偏振光的振动面从原来的方位转过2角。当法线入射的光透过时，寻常光（o光）和非常光（e光）之间的相位差等于/2或其奇数倍，这样的晶片称为四分之一波片或 1/4波片。当线偏振光垂直入射1/4波片,并且光的偏振和云母的光轴面（垂直自然裂开面）成角，出射后成椭圆偏振光。特

5、别当=45°时，出射光为圆偏振光。1.3 偏振光的产生与鉴别1.3.1 线偏振光的产生自然光在透射介质上发生反射和折射，反射光和折射光均为部分偏振光，但当入射角为布儒斯特角时，反射光中只剩下振动面垂直于入射面的分量，这样反射光就成为了线偏振光，而折射光仍为部分偏振光，可采用以布儒斯特角射入透明介质堆，透射光经过连续折射后几乎是电矢量平行于入射面的线偏振光。1.3.2 圆偏振光、椭圆偏振光产生的原理圆偏振光、椭圆偏振光产生的原理如图 102所示椭圆偏振光可以由两列沿同一方向传播，振动方向互相垂直，频率相同，具有固定相位关系的线偏振光叠加得到。当一束自然光经起偏器后，得到线偏振光再入射到

6、波片时，被分成o光和e光。由于它们在晶体内的传播速度不同，通过波片后产生一定的位相差 ，振动方向互相垂直，频率相同。出射后两束光合成的结果，一般是椭圆偏振光。当入射线偏振光的电矢量振动与1/4波片光轴成45度，这时o光和e光振幅相等，从1/4波片出射的光为圆偏振光。1.3.2偏振光的鉴别(1)自然光、部分偏振光和线偏振光的检测利用偏振片就可以检测自然光、部分偏振光和线偏振光。当入射光垂直射至偏振片的表面，以入射光为轴旋转偏振片，当光强不变时，入射光是自然光，当光强变化但无消光现象时，入射光是部分偏振光，当光强变化并有消光现象时，入射光是线偏振光。(2)椭圆偏振光和圆偏振光的检测a)圆偏振光通过

7、1/4波片后变为线偏振光，然后用偏振片鉴别。b)椭圆偏振光通过1/4波片后一般仍为椭圆偏振光，只有当波片的光轴与椭圆的主轴平行时，才变为线偏振光，然后用偏振片加以鉴别。c)自然光和圆偏振光通过偏振片后，光强都不随偏振片的透振方向的改变而变化，所以无法单用偏振片去区分它们。圆偏振光通过1/4波片后变为线偏振光，自然光通过1/4波片后仍为自然光，从而可用偏振片鉴别之。d)部分偏振光和椭圆偏振光通过偏振片后，光强随偏振片的透振方向的改变而变化的情形是相似的，所以也无法单用偏振片去区分它们。让椭圆偏振光通过1/4波片，并使椭圆的主轴与1/4波片的光轴相平行时，透射光是线偏振光，而部分偏振光通过1/4波

8、片后仍为部分偏振光，从而可用偏振片鉴别之。2 实验设计方案2.1 半波片的光学特分析实验步骤：(1)如下图，将半导体激光器、偏振片1（起偏器m）、偏振片2（检偏器n）、光探头放在光学实验导轨上并旋紧螺丝紧固各个元件。将激光器、功率指示计、光探头相连，打开功率指示计电源，调整各个元件高度方向，使元件中心在一条直线上。(2)使激光束的入射面与检偏器正交，功率指示计读数为0，在两偏振片之间加12波片，将其旋转到消光位置，从该位置开始，逐次旋转波片15º、30º、45º、60º、75º、90º，然后将检偏器逐次转到消光位置，记录每次检偏器需要

9、转到的角度。从实验结果总结出平面偏振光通过半波片后，振动面的变化规律，并解释。图2.1半波片光学特性实验装置【数据记录与处理】表2.1 12波片的作用消光时检偏器位置线偏振光经1/2波片后转过角度理论值40.50º00º0º55.515º28.728.7º30º70.530º59.859.8º60º85.545º91.091.0º90º100.560º119.5119.5º120º115.575º150.1150.1º150&

10、#186;130.590º180.7180.7º180º实验现象分析：当入射光为相对光轴的入射角为的线偏振光时，在12波片内e光和o光振动表达式分别为 ; 。 当经过12波片会附加相位差，此时y轴振动反向，这样x轴分量和y轴分量合成与光轴方向为-的线偏振光，也就是说12波片可以改变入射光的偏振面（线偏振光经12波片后入射光的电矢量方向转过了2）。2.2 14波片的光学特性与偏振态当偏振为A的线偏振光入射波片时，若振动方向与波片光轴夹角为角，在直角坐标系内，o光和e光的振幅分别为和。从波片出射后的o光和e光的振动可以用两个振动方向互相垂直、频率相同、有固定相位差的简

11、谐振动方程表示，二者的合振动方程为椭圆方程，合振动矢量的端点轨迹一般为椭圆，称作椭圆偏振光。特殊情况下，即，入射线偏振光的电矢量振动与14波片光轴成45°时，合振动矢量的端点轨迹是圆，椭圆偏振光变为圆偏振光，透射光强是几乎不变的。实验步骤：光路与图2.1相似，只是将12波片换成14波片。使起偏器的透射方向与检偏器正交，功率指示计读数为0，然后在两偏振片之间加入14波片H，旋转波片直至达到消光，从这个消光位置开始，旋转14波片15º、30º、45º、60º、75º、90º，分别逐次将检偏器转动360°。通过记录光强变

12、化判断入射光透过14波片后的偏振态。【数据记录与处理】表2.2 14波片的作用14波片转过的角度A转动360°，现测到极大、极小值的光功率计读数W光的偏振性质15°8297186973椭圆偏振光30°242737246747椭圆偏振光45°435490437486近似圆偏振光60°218748216757椭圆偏振光75°212948220954椭圆偏振光90°09850989线偏振光实验现象分析：当入射线偏振光的投射方向与光轴方向垂直时，出射光为线偏振光，出现两次消光两个光强极大值。当入射光的偏振方向与光轴方向夹角45

13、86;时，出射光为圆偏振光，经过检偏器，出射光强无明显变化。当入射光的偏振方向与光轴方向为其他情况时,经波片出射的光为椭圆偏振光。经过检偏器观察，没有消光现象，有明暗变化。2.3 验证马呂斯定律实验2.3.1实验原理光强为Io的线偏振光，透过检偏器以后，透射光的光强为, 式中是线偏振光的光振动方向与检偏器透振方向间的夹角，该式称为马吕斯定律,它表示光强随角度改变的变化规律。 按照马吕斯定律，强度为的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为I=, 很明显，当以光线传播方向为轴旋转检偏器，透射光强度I将发生周期性变化。当=0°时，透射光强度最大；当=90°时，透射光强度最小；当0&

14、#176;90°时，透射光强度介于最大值和最小值之间。2.3.2 实验步骤（1） 将半导体激光器、偏振片1（起偏器）、偏振片2（检偏器）、光探头放在光学实验导轨上并紧固各个元件。将功率指示计、激光器、光探头相连，先把功率指示计量程调到最大值，打开功率指示计电源，输出激光，调整激光，各个元件的方向和高度，使激光从两偏振片的中心通过，进入光探头，旋转光探头上的光栏盘，使激光光斑进入0.02mm缝的光栏位置。（2） 旋转检偏器，使功率指示计读数为最大，此时两偏振片夹角为=0°，记录此时检偏器的位置。 （3） 用白屏挡住激光，激光无法进入光探头，再打开功率指示计，把功率指示计量程调

15、到2mw，旋转调零按钮，直至功率指示计读数为零，使功率指示计调零。拿下白屏，使激光进入光探头，记录=0°时的功率指示计读数（可认为是光强I的值），以后每旋转10°记录一次出射光强的功率指示计读数，旋转一周，数据填入表格，画出光强I与角度的关系曲线图，验证马吕斯定律。2.3.3实验数据记录及处理表2.3 验证马吕斯定律实验数据功率值（）功率值（）00.2711900.263100.2632000.242200.2422100.204300.2102200.159400.1622300.115500.1112400.070600.0662500.040700.0312600.0

16、12800.00727009002800.0151000.0142900.0361100.0303000.0701200.0643100.1161300.1123200.1701400.1613300.2071500.2033400.2431600.2423500.2671700.2673600.2751800.278图2.2 马吕斯定律实验结果分析图2.4 测布儒斯特角实验2.4.1实验原理当非偏振光（自然光）在两种各向同性介质分界面上反射、折射时，反射光和折射光都是部分偏振光。反射光中与入射平面垂直的振动多于与其平行的振动，折射光中与入射平面平行的振动多于与其垂直的振动。在某一特殊入射角（

17、即布儒斯特角）时，反射光中垂直于入射平面的偏振分量为零，即反射光变为完全偏振光（线偏振光），此时入射光线与反射光线之间的夹角为90°。2.4.2实验步骤（1） 按图2.4摆放实验仪器，在光学转动平台上先不要放三棱镜。图2.4 测布儒斯特角实验装置（2） 打开功率指示计的电源，输出激光。调整激光方向和各个元件的高度，使激光从两个偏振片的中心通过，进入功率指示计的探头。旋转两偏振片达到正交，功率指示计为0，进入消光状态。（3） 在检偏器与起偏器之间加入1/4波片，此时有部分偏振光通过检偏器。旋转1/4波片，系统达到消光状态。记下消光状态时1/4波片方向的度数，再旋转45º。此时

18、出射光为圆偏振光，然后将三棱镜放在载物台上，尽可能使入射角为60º。将光探头放在转接杆上，转动转接杆使反射光斑进入功率激光探头中，慢慢旋转载物台，直到功率指示计的读数为最小，在转盘上固定某一位置，记录转盘此位置刻度T。（4） 取下三棱镜，转动转接杆使激光通过探头中心。记录此时转盘的刻度T。多次测量数据，将得到的数据进行处理计算。2.4.3 实验数据记录及处理表2.4测布儒斯特角数据次数m刻度刻度in理论值1341.3274.656.651.5191.51342341.1274.356.601.5173341.5274.556.501.5124341.8274.656.401.5055

19、341.3274.456.551.514数据处理：, i=（180º-T）/2，n=，代入数据处理填入上表。相对误差：2.43误差分析主要有：（1）光斑没有完全进入光探头，认为光强达到最小值，导致误差。（2）通过对转台的数据进行估度时，出现误差。（3）没有固定好转盘，转动转接杆时，转盘出现微小转动，导致误差。3 偏振现象的应用1）汽车前灯和前窗玻璃用偏振玻璃防止强光夜晚，汽车前灯发出的强光将迎面驶来的汽车司机照射得睁不开眼睛，严重影响行车安全。若考虑将汽车前灯玻璃改用偏振玻璃，使射出的灯光变为偏振光；同时汽车前窗玻璃也采用偏振玻璃，其透振方向恰好与灯光的振动方向垂直，这样司机不仅可以

20、防止对方汽车强光的刺激，也能看清自己车灯发出的光所照亮的物体。2）在摄影镜头前加上偏振镜消除反光自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时，反射光和折射光都是偏振光，而且入射角变化时，偏振的程度也有变化。在拍摄表面光滑的物体，如玻璃器皿、水面、陈列橱柜、油漆表面、塑料表面等，常常会出现耀斑或反光，这是由于反射光波的干扰而引起的。如果在拍摄时加用偏振镜，并适当地旋转偏振镜片，让它的透振方向与反射光的透振方向垂直，就可以减弱反射光而使水下或玻璃后的影像清晰。3）利用光的偏振制成液晶显示器如图4所示为电子手表等的液晶显示器，两块透振方向互相垂直的偏振片当中插进一个液晶盒，盒内液晶层的上下是透明的电极板

21、，它们刻成了数字笔画的形状。外界的自然光通过第一块偏振片后，成了偏振光，这束光在通过液晶时，如果上下两液晶片间没有电压，光的偏振方向会被液晶旋转90°，于是它能通过第二个偏振片。第二个偏振片的下面是反射镜，光线被反射回来，这时液晶盒看起来是透明的。但如果在上下两个电极间有一定大小的电压时，液晶的性质就改变了，旋光性消失，于是光线不能通过第二个偏振片，这个电极下的区域就变暗，于是就显示出了数字。如图44）使用偏振片观看立体电影立体电影是用两个镜头如人眼那样从两个不同方向同时拍摄下景物的像，制成电影胶片。在放映时，通过两个放映机，把用两个摄影机拍下的两组胶片同步放映，使这略有差别的两幅图像重叠在银幕上，如图-5所示。这时如果用眼睛直接观看，看到的画面是模糊不清的，要看到立体电影，就要在每