光的偏振现象的研究

1、光的偏振现象的研究光的偏振现象是波动光学中的一种重要现象，在诸如光调制器、光开关、应力分析等方面有着广泛的应用。实验目的1.观察光的偏振现象，掌握起偏和检偏的方法，验证马吕斯定律。2.了解产生椭圆偏振光和圆偏振光的方法及波片的作用，检测偏振光干涉的光强。实验原理及方法1. 自然光和偏振光光波是一种电磁波，其电矢量E和磁矢量H相互垂直，且均与光的传播方向垂直。由于光对物质的作用主要是电矢量的作用，所以电矢量又称为光矢量。通常以电矢量的方向代表光的振动方向，并将电矢量和光传播方向所构成的平面称为振动面。普通光源含有大量发光原子或分子。单个原子和分子发出的光，其光矢量有一定的方向，但大量的原子和分子

2、发出的光其光矢量具有一切可能的方向，没有一个方向的振动比其它方向更占优势。在与光传播方向垂直的平面内，光矢量有均匀对称分布的特点。这种光称为自然光（非偏振光）。如果光振动在某一方向占优势，这种光称为部分偏振光；如果光矢量只沿某一固定方向振动，这种光称为线偏振光或平面偏振光，见图1。如果在垂直于光传播方向的平面内，光矢量以一定频率绕传播方向转动，其矢端轨迹为一个圆或椭圆，这种光称为圆偏振光或椭圆偏振光。图1能使自然光变为偏振光的器件称为起偏器，能够检验偏振态的器件称为检偏器（起偏器和检偏器一般可以通用）。产生和检验偏振光的过程分别称为起偏和检偏。下面介绍起偏和检偏的常用方法。2. 产生平面偏振光

3、的方法2.1 二向色性起偏某些晶体内部有一个特殊的方向（称为透光方向），沿透光方向的光振动几乎可以全部透过，与透光方向垂直的光振动几乎全被吸收。这种选择吸收的特性称为二向色性。偏振片就是利用二向色性制成的器件，自然光透过偏振片后，只剩下沿透光方向的光振动，透射光成为平面偏振光，如图2所示。 图2 二向色性起偏 图3 晶体双折射起偏2.2 双折射现象自然光射到某些各向异性晶体（如方解石、石英等）上时，在晶体内分为两束平面偏振光，如图3所示。一束称为寻常光（o光），另一束称为非常光（e光），两束光的振动面相互垂直。这种现象称为双折射。利用双折射制成的起偏器有尼科尔棱镜、格兰棱镜等。研究发现，光沿某

4、特殊方向在晶体传播时不发生双折射，也不能起偏，这个方向称为双折射晶体的光轴。如图4所示，当自然光投射到两种透明媒质的界面上时，反射光和折射光一般成为部分偏振光。如果入射角满足布儒斯特定律 (n1，n2为二种媒质的折射率)则反射光成为平面偏振光，其振动面垂直入射面，而透射光仍为部分偏振光。利用多块玻璃叠成的玻璃片，可以提高透射光的偏振程度，如图5所示。 图4 反射光和折射光的偏振态的变化 图5 用玻璃堆产生平面偏振光 31/4波片和圆偏振光、椭圆偏振光的产生如图6所示，当振幅为A的单色平面偏振光垂直射入双折射晶片后，产生双折射，入射光分解为o光和e光。如果入射光的振动方向与晶片光轴的夹角为a，则

5、o光的振幅为Ao=Asina，振动方向垂直主截面；e光的振幅为e=Acosa，振动方向平行主截面。o光e光在晶片内沿同一方向传播，但传播速度不同，设晶片厚度为d，在晶片内o的光程为nod，e光的光程为ned。通过晶片后两束光的光程差和位相差分别为 （1） （2）式中为入射单色光的波长，no、ne分别为晶片对o光和e光的折射率图6 椭圆偏振光的产生若选择适当的晶片厚度，使（k=0，2，3） （3）则产生的光程差和位相差应为 （4） （5）这种能使o光和e光产生的光程差等于/4奇数倍的晶片，称为1/4波片（注意：波片都是对特定波长而言的，对其它波长不适用）。通过1/4波片后的o光和e光，它们的振动

6、频率相同，振动方向互相垂直，位相差为/2的奇数倍。这样两束光相互叠加（两个同频率的垂直振动的合成）后，在与传播方向垂直的平面内，合振动光失量的矢端轨迹为椭圆。因此，平面偏振光通过1/4波片后，一般成为椭圆偏振光。当a=0（或/2）时，即Ao=0或Ae=0时，椭圆偏振光蜕化为平面偏振光；当a=/4时（即Ao=Ae），蜕化为圆偏振光。1/4波片可将平面偏振光变成椭圆偏振光或圆偏振光，也可将椭圆偏振光或圆偏振光变成平面偏振光；而自然光和部分偏振光通过1/4波片后仍为自然光和部分偏振光。让光通过1/4波片是区分圆偏振光（椭圆偏振光）和自然光（部分偏振光）的唯一手段。4. 马吕斯定律根据马吕斯定律，光强

7、为I0的平面偏振光通过检偏器后，其透射光强为I = I0cos2 （6）式中为平面偏振光的振动方向与检偏器透光方向的夹角。当=0°或者180°时I=I0，光强最大；当=90°或270°时I=0，出现消光现象；当为其它值时，透射光强介于0和I0这间。实验中使用的偏振片，由于质量并不十分理想，对于透光方向垂直的光振动不能全部吸收，对于透光方向平行的光振动不能完全透过。当=0°或者180°时，透射光强不是I0，而是最大值Imax；当=90°或者270°时，透射光强不为0，而是最小值Imin，这种情况下，马吕斯定律修正为

8、（7）5. 偏振态的检验鉴别入射光的偏振态须借助于检偏器和1/4波片。先用一片偏振片作为检偏器，将入射光直接射到检偏器上，并以光传播方向为轴转动检偏器。若出现消光现象（透过光强为0），入射光必为平面偏振光。若透射光强度没有变化，入射光可能是自然光或圆偏振光。若透射强度虽有变化，但没有消光现象，入射光可能是部分偏振光或椭圆偏振光。只用一片偏振片检偏，无法鉴别入射光是自然光还是圆偏振光，也无法将部分偏振光和椭圆偏振光区分开。要进一步鉴别，还须在入射光与检偏器这间插入一块1/4波片。由于圆偏振光和椭圆偏振光通过1/4波片后，转变为平面偏振光，此时转动检偏器就会看到消光现象；而自然光和部分偏振光通过1

9、/4波片后，仍是自然光和部分偏振光，转动检偏器时不会出现消光现象，从而可以作出判断。6. 偏振光的干涉如图7所示，在起偏器M和检偏器N之间平行放置晶片C，并设M的偏振光化方向与晶片光轴间的夹角为a，N偏振化方向与晶片光轴间的夹角为，则从C出射的振幅分别为Ao、Ae的o光和e光，在经过N时又被分解为振动方向平行于N的偏振化方向的分量 （8） （9） 图7 o光和e光的分解显然，透过N的两支偏振光非但频率相同，位相差恒定，而且振动方向相同，因此会产生干涉现象。其位相差为 （10）式中附加位相差是由于振幅失量与方向相反而引的。按照双光束干涉的光强计算法，可求出干涉光强 （11）式中I = A2表示入

10、射于晶片C的线偏振光的相对光强。特别地，若晶片为1/4波片，则有 （12）可见当a一定时，I'与有关。因此当固定起偏器M和晶片C的位置时，转动检偏器N，便可观察到透射光的强度随不断发生变化现象。若使用复色光源，由于通过晶片后的位相左对不同的波长是不同的。所以当晶片C的厚度d一定时，视场中将出现一定的色彩，改变晶片的厚度，色彩分布的情况也随之改变。同样，如果转动检偏器N，亦将显示出各种色彩的变化，这称之为色偏振现象。仪器构造及使用PZG1型偏振光实验仪：如图8所示，自光源S发出的自然光（钠光或白光）通过毛玻璃P进入起偏器M产生线偏振光，再经1/4波片C被分解成相互垂直的两支偏振光进入检偏

11、器N，出射光强被硅光电池E接收，转换成电信号用光电检流计G测出。取下硅光电池，沿着轴方向可观察各种光的偏振现象；放上硅光电池，通过光点检流计可作定量测量，调节光源选择旋钮（在仪器面板下部），可根据实验要求选定光源。转动仪器右侧面的蜗杆旋钮，可使蜗轮底座转动，从而改变波片的光轴方位，光轴转过的角度可以由面板上部观察孔内读出，底座度盘每分格为2°。转动仪器顶部的检偏器度盘（10分度游标），可改变仪器检偏器N的偏振化方向，并可读出转过的角度。当需要改变实验的内容时，可打开后门，把遮光套筒上提再转动一下，即可取下套筒，在蜗轮底坐上取下或调换器件。图8 偏振仪光学结构图 实验内容1. 观察光的

12、偏振现象，验证马吕斯定律1.1 打开仪器后门，提起套筒，取下波片；选择钠光源，开启电源，待钠光灯发光正常后，旋转检偏器N，观察场明暗变化情况。1.2 将微电流测量仪与硅光电池连接，转动检偏器N使输出电流最小，此时N与M的偏振化方向垂直，即。1.3 转动检偏器度盘，角每改变10°时，记下对应的出射光强I（即微电流测量仪上的读数），将实验数据填入自拟表格中。1.4 在直角坐标纸上作Icos2图线，分析是否符合马吕斯定律。2. 测量偏振光干涉的光强2.1 旋转检偏器N，使之与M的偏振化方向垂直，方法同上。2.2 打开仪器后门，在蜗轮座上放上1/4波片，转动蜗杆旋钮使检流计光标重新指零，此时

13、，波片C的光轴与M的偏振化方向平行，即a=0°，=90°，记下波片的方位。2.3 转动蜗杆旋钮，使波片由原来方位转过30°，亦即a=30°、=60°，记下检流计读数，此后保持波片C的位置不变，转动检偏器度盘改变N的方位，即改变角，每改变10°记录一次相应的微电流测量仪读数I'，直至N回到初始位置。将数据填入表格，在极座标纸上作出I'曲线，并与式（12）作比较。2.4 使a=45°，重复以上步骤，作出I'曲线。2.5 比较2.3和2.4观察到的光强变化情况，由式（12）作出解释。3. 观察色偏振现象3.

14、1 调节光源选择旋钮换上白光源，并使偏振片N与M的偏振化方向垂直。3.2 把剪碎的玻璃纸夹在两块玻璃板之间，置于蜗轮底坐上，由于各处厚度不同，视场中将出现彩色干涉图样。转动N，会看到各处的颜色随之变化。当N转过90°，即N与M的偏振化方向平行时，各处的颜色恰为原来的互补色，试解释这一现象。注意事项1.钠光灯通电后应预热1020min，方可进行实验。2.更换光学元件时，应轻拿轻放，防止损坏。3.测量时应关闭仪器后门，装好套筒，防止杂散光的影响。设计性实验现有自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光等五种光，试设计一个能够鉴别它们的实验方案。预习思考题1. 强度为I0的自然光入射于偏振片