实验27光偏振

1、实验27光的偏振光的偏振是牛顿在1704 -1706年间引入光学中的。惠更斯在1678-1690年间 从理论上作了说明。光的偏振这一术语是马吕斯在1808年首先提出的，马吕斯、 菲涅尔、阿喇戈和布儒斯特等人对偏振现象进行了广泛的研究。最后，麦克斯 韦在1865-1873年间建立的光的电磁理论，才从本质上解释了光的偏振现象。一、实验目的1、观察光的偏振现象，加深对光的偏振的理解。2、了解偏振光的产生及其检验方法。3、观测布儒斯特角，测定玻璃折射率。4、观测椭圆偏振光与圆偏振光。5、了解1/2波片和1/4波片的用途。二、实验原理1、光的偏振状态光是电磁波，它是横波。通常用电矢量E表示光波的振动矢量

2、。(1) 自然光 其电矢量在垂直于传播方向的平面内任意取向，各个方向的取向概率相等，所以在相当长的时间里(1(T秒已足够了)，各取向上电矢量的时间平均值是相等的，这样的光称为自然光，如图27-1所示。3迎着光线看自然光的示*卜则)自殊光在光路图中的表示图27-1自然光(2) 平面偏振光 电矢量只限于某一确定方向的光，因其电矢量和光线构成 一个平面而称其为平面偏振光。如果迎着光线看，电矢量末端的轨迹为一直线, 所以平面偏振光也称为线偏振光，如图27-2所示。(3) 部分偏振光电矢量在某一确定方向上较强，而在和它正交的方向上较 弱，这种光称为部分偏振光，如图27-3所示。部分偏振光可以看成是线偏振

3、光和自然光的混合。E振动方向垂直于第面E扳动方向平行于纟氏面Kb）线偏振光在光跻中的表示图27-2线偏振光H H H（b）部分偏振光在光路中的表示图27-3部分偏振光（4）椭圆偏振光迎着光线看，如果电矢量末端的轨迹为一椭圆，这样的光 称为椭圆偏振光。椭圆偏振光可以由两个电矢量互相垂直的、有恒定相位差的 线偏振光合成得到。迎着光线看描（1偏振光（右谨）（5）圆偏振光迎着光线看，如果电矢量末端的轨迹为一个圆，则这样的光 称为圆偏振光。圆偏振光可视为长、短轴相等的椭圆偏振光。图27-4椭圆偏振光2、布儒斯特定律反射光的偏振与布儒斯特定律如图27-5所示，光在两介质（如空气和玻璃片等）界面上，反射光和

4、折射光（透射光）都是部分偏振光。当反射光线与折射光线的夹角恰为90°时，反射光为线偏振光，其电矢量振动方向垂直于入射光线与界面法线所决定的平面（入射面）。此时的透射光中包含平行于入射面的偏振光的全部以及垂直于入射 面的偏振光的其余部分，所以透射光仍为部分偏振光。山折射定律很容易导出 此时的入射角Q满足关系tana = （27-1）（27-1）式称为布儒斯特定律，入射角a称为布儒斯特角，或称为起偏角。若光 从空气入射到玻璃（吐约为），起偏角约56° o（反射光）自拔光27-5反射光的偏振3、偏振片、起偏和检偏、马吕斯定律（1）山二向色性晶体的选择吸收所产生的偏振偏振片有些晶体

5、（如电气石）、长链分子晶体（如髙碘硫酸奎宇），对两个相互垂 直振动的电矢量具有不同的吸收本领，这种选择吸收性称为二向色性。在两平 板玻璃间，夹一层二向色性很强的物质就制成了偏振片。自然光通过偏振片时,一个方向的电矢量儿乎完全通过(该方向称为偏振片的偏振化方向)，而与偏振 化方向垂直的电矢量则儿乎被完全吸收，因此透射光就成为线偏振光。根据这 一特性，偏振片既可用来产生偏振光(起偏)，也可用于检验光的偏振状态(检 偏)。(2) 马吕斯定律用强度为/()的线偏振光入射，透过偏振片的光强为人则有如下关系(27-2)(27-2)式称为马吕斯定律。是入射光的E矢量振动方向和检偏器偏振化方向之 间的夹角。以

6、入射光线为轴转动偏振片，如果透射光强/有变化，且转动到某位 置时1=0,则表明入射光为线偏振光，此时&=90。4、波片(1) 两个互相垂直的、同频率的简谐振动的合成设有两各互相垂直且同频率的简谐振动，它们的运动方程分别为(27-3)X = A COSX +0) y = A2 cos + ®)合运动是这两个分运动之和，消去参数匚得到合运动矢量末端运动轨迹方程为r + r 一2cos(0 0|) = sin® 卩) Af A； AA(27-4)上式表明，一般情况下，合振动矢量末端运动轨迹是椭圆，该椭圆在2AX2A2的矩形范圉内。如果(27-3)式表示的是两线偏振光，则叠

7、加后一般成为椭圆偏振光。下面讨论相位差厶0 = 02-5为儿种特殊值的情况。 当(p = 2k7T (k* ±1, ±2,)时，(27-4)式变为=(27-5) A】A?合振动矢量末端运动轨迹是上述矩形的对角线，与y轴的夹角为这就是说,相互垂直的、同相位的两线偏振光合成后仍为线偏振光，但E振动有新的取向。 当(p = (2k + X)n (k 二匕 ±1, ±2,)时，(27-4)式变为丄=丄(27-6)(27-6)式表明，相互垂直的、相位相反的两线偏振光合成后也是线偏振光，E振 动方向与y轴的夹角也是a，但在y轴的另一侧。 当0 = (2«

8、+ 1)彳(0, ±1, ±2,)时，(27-4)式变为三 + g = l(27-7)此时，合振动矢量末端运动轨迹是正立在上述矩形内的椭圆。即相互垂直的、 相位差是兀/2的两线偏振光合成为椭圆偏振光，椭圆的长半轴和短半轴分别等 于两线偏振光的振幅。 根据情况，且川二出以，则(27-4)式变为x2 +y2 = A2(27-8)即振幅相等的、相互垂直的、相位差是龙/2的两线偏振光合成为圆偏振光。(2) 双折射晶体光轴一束自然光在入射到某些各向异性晶体上时，能够被分成振动方向相互垂 直的两束线偏振光，分别称为e光和。光。它们以不同的速度、沿不同的方向在 晶体内传播，如图27-7所

9、示。这种现象称为双折射，这些晶体称为双折射晶体, 如方解石、石英等。方解石哄 5,称“负晶体”,石英代 他)称“正晶体”。 在双折射晶体内有一个被称为光轴的特殊方向。光线在晶体内沿光轴传播时， 不发生双折射；平行于光轴传播时，e光和。光沿同一方向传播不再分离，但传 播速度仍是不同。把双折射晶体沿光轴切割并磨制成平行平板，这就是波片。一束线偏振光 垂直入射到波片表面，被分解成e光和o光。e光的E矢量振动方向平行于光轴,。光的E矢量振动方向垂直于光轴，入射时它们之间的光程差为零，相位差 0 = 0。因为e光和。光传播速度不同，当从波片的第二表面出射时，它们之 间就有了光程差，相位差厶卩也不再为零。

10、在选定了晶体之后，对于某一波长的 单色光，只取决于波片的厚度，即0 =)厶(27-9)A式中的2是单色光波长，®和一是。光和e光的折射率，L为晶片厚度。由于。光、e光的振动方向相互垂直，取e光轴为x方向，沿x轴、y轴的 光矢量分别为民和Ey,则有E1 E1 2EE,4 cosA> = sin' (p(27-10)A; A： 44因此，根据(27-10)式，就有如下推论： 当= 2k兀时，为线偏振光； 为0 =(2R + l);rH寸，为线偏振光； 当= +丄龙时,为正椭圆偏振光;V 2丿 当不等于以上各值时，为椭圆偏振光。在空气中在玻片内光轴图27-8波片中的e光和。光

11、2/2波片和Q/4波片对某一波长为2的单色光，产生g =(2k +1>相位差的晶片称为该单色光的半波片。对某一波长为1的单色光，产生© =相位差的晶片称为该单色光的2/4波片。当线偏振光垂直人射到2/4波片上时，且其振动方向与波片光轴成&角，如光轴方向图2沪9偏振片通过2/4波片示意图图27-9所示，由于o光和e光的振幅是 &的函数，所以，合成光的振幅A因&角 不同而不同。 当& = 0或& =兰戸寸，=0或A, = 0,2为线偏振光； 当& =彳时,A。*,为圆偏振光; 当。为其他角度时，为椭圆偏振光。表27-1鉴别光的偏振态光

12、的种类仅使用偏振器，并使其旋转几/4片+偏振片自然光光强不变，不消光光强不变，不消光圆偏振光光强不变，不消光消光线偏振光光强改变，消光，可以鉴左部分偏振光光强改变，但不消光光强改变，但不消光椭圆偏振光光强改变，但不消光消光三、实验仪器1、白光源(GY-6A)2、凸透镜(/= 150mm)3、二维调节架(SZ-07)4、可调狭缝(SZ-27) 5、光学测角台(SZ-47) 6、升降调节座(SZ-03) 7、 黑玻璃镜8、偏振片9、X轴旋转二维架(SZ-06)10、11、升降调节座(SZ-03)12、二维平移底座(SZ-02)。另需钠灯、氮氛激光器、几/4波片(几= 633nm)及架、冰洲石及转动

13、架和 扩束器、观察屏等。四、实验内容与步骤1、起偏与检偏按图27-10所示，使口光源灯丝位于透镜的焦平面上（此时二底座相距 162mm）,近似平行光束通过狭缝，向光学分度盘中心的黑玻璃镜入射，并在台 面上显出指向圆心的光迹。此时转动分度盘，对任意入射角，利用偏振片和X 轴旋转二维架组成的检偏器检验反射光的偏振态。2、利用布儒斯特定律测定玻璃的折射率（1）在图27-10中，当光束以布儒斯特角h入射时，反射的线偏振光可被 检偏器消除（对»=, Zb=57°）o该入射角需反复仔细校准。因线偏振光的振动面 垂直于入射面，按检偏器消光方位可以定出偏振片的易透射轴。（2）测出起偏角b并

14、按（27-1）式计算出玻璃的折射率。（3）检查此时透射光的状态。3、验证马吕斯定律如图27-11所示，使钠光通过偏振片A起偏振，用装在X轴旋转二维架上（对准指标线）的偏振片B在转动中检偏振，分析透射光的光强变化与角度的关系。白屛27-11骑证马吕斯定律实验装置图4、椭圆偏振光的分析使激光束通过扩束器（/=4.5mm）或（/=6.5mm）、狭缝和黑玻璃镜产生线偏振 光，在通过2/4波片之后，用装在X轴旋转二维架上的偏振片在旋转中观察透 射光光强变化，是否有两明两暗位置（注意与上一项实验现象有何不同），在暗 位置，检偏器的透振方向即椭圆的短轴方向。5、圆偏振光的分析在透振轴正交的二偏振片之间加入几

15、/4波片，旋转至透射光强恢复为零处，从 该位置在转动45°,即可产生圆偏振光。此时若用检偏器转动检查，在观察屏（口 屏）上的透射光强应是不变的。观察圆偏振光和椭圆偏振光的具体做法是：（1）按图27-11调整偏振片A和B的位置使通过的光消失，然后插入一片1/4 波片Ci （注意使光线尽量穿过元件中心）。（2）以光线为轴，先转动G消光，然后使B转360°观察现象。（3）再将Ci从消光位置转过30°、45°、60°、75°、90°,每次以光线为轴,将B 转360。观察现象，将上面儿次实验的悄况记录在表27-1中。6、利用冰洲石及可

16、转动支架，可以观察和分析该晶体的双折射现象。让自然光（如钠光）通过支架上的一个小孔入射冰洲石晶体，用眼睛在适当距 离能够看到光束一分为二；转动支架，乂能判别寻常光（。光）和非常光（e光）。 然后用检偏器确定o光和e光偏振方向的关系。五、数据记录与处理1、将各直接测量值的原始数据用列表法表示。2、要讣算玻璃折射率测量的误差，并写出最后结果。表27-1产生圆偏振光和椭圆偏振光的实验数据记录表Cl转角转动B时观察现象经G后光的偏振态简要理由0°30°45°60°75°90°六、思考题（）预习自测题1、两偏振片的偏振化方向相互垂直放置，称之为正交偏振片.光束不能通过正 交偏振片.此时称为消光。在正交偏振片间插人一波片，为什么光可以通过？2、转动正交偏振片间的波片一周，有儿次消光？根据这个现象，能否判断波片 光轴与偏振片的偏振化方向之间的角度关系？3、波长为2的单色自然光，通过1/4波片，是否可能成为圆偏振光或椭圆偏振 光？4、迎着太阳驾车，路面的反光很耀眼，一种用偏振片做成的