大学物理实验偏振光观测与研究

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实验 偏振光的观测与研究

偏振光的理论意义和价值是，证明了光是横波。同时，偏振光在很多技术领域得到了广泛的应用。如偏振现象应用在摄影技术中可大大减小反射光的影响，利用电光效应制作电光开关等。

【实验目的】

1．通过观察光的偏振现象，加深对光波传播规律的认识。

2．掌握偏振光的产生和检验方法。

3．观察布儒斯特角及测定玻璃折射率。

4．观测圆偏振光和椭圆偏振光。

【实验仪器】

光具座、激光器、光点检流计、起偏器、检偏器、 1/4波片、

1/2 波片、光电转换装置、观测布儒斯特角装置、带小孔光屏、

钠光灯。

【实验原理】

按照光的电磁理论，光波就是电磁波，电磁波是横波，所以

光波也是横波。在大多数情况下，电磁辐射同物质相互作用时，

起主要作用的是电场， 因此常以电矢量作为光波的振动矢量。 其

振动方向相对于传播方向的一种空间取向称为偏振， 光的这种偏

振现象是横波的特征。

根据偏振的概念，如果电矢量的振动只限于某

图3-26 自然光

一确定方向的光，称为平面偏振光，亦称线偏振光；如果电矢量随时间作有规律的变化，其末端在垂直

于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆（或圆），这样的光称为椭圆偏振光（或圆偏振光）；若电矢量的取向与大小都随时间作无规则变化，各方向的取向率相同，称为自然光，如图3-26所示；若电矢量在某一确定的方向上最强，且各向的电振动无固定相位关系，则称为偏振光。

1．获得偏振光的方法

（1）非金属镜面的反射，当自然光从空气照射在折射率为 n

的非金属镜面（如玻璃、水等）上，反射光与折射光都将成为部

分偏振光。当入射角增大到某一特定值 φ0时，镜面反射光成为完

全偏振光，其振动面垂直于射面，这时入射角φ称为布儒斯特角，

也称起偏振角，由布儒斯特定律得：

tan0n（3-51）其中，n为折射率。

（2）多层玻璃片的折射，当自然光以布儒斯特角入射到叠在

一起的多层平行玻璃片上时，经过多次反射后透过的光就近似于

线偏振光，其振动在入射面内。

（3）晶体双折射产生的寻常光（ o光）和非常光（e光），均

为线偏振光。

（4）用偏振片可以得到一定程度的线偏振光。

2．偏振片、波片及其作用

（1）偏振片

偏振片是利用某些有机化合物晶体的二向色性，将其渗入透明塑料薄膜中，经定向拉制而成。它能吸收某一方向振动的光，

而透过与此垂直方向振动的光，由于在应用时起的作用不同而叫法不同，用来产生偏振光的偏振片叫做起偏器，用来检验偏振光的偏振片叫做检偏器。

按照马吕斯定律，强度为I0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为：

II0cos2（3-52）式中为入射偏振光的偏振方向与检偏器偏振化方向之间的夹角，显然当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强

I发生周期性变化。当=0°时，透射光强最大；当=90°时，透射光强为极小值（消光状态）；当0°<<90°时，透射光强介于最大和最小之间。

自然光通过起偏器后可变为线偏振光，线偏振光振动方向与起偏器的透光轴方向一致。因此，如果检偏器的透光轴与起

偏器的透光轴平行，则在检偏器后面可看到一定光强，如果二者垂直时，则无光透过，如图3-27所示。其中（a）图为起偏器透光轴P1与检偏器透光轴P2平行的情况；（b）图为起偏器透光

P1与检偏器透光轴P2垂直的情况。此时透射光强为零，此种现象称为消光。在实验中要经常利用“消光”现象来判断光的偏振状态。

3-27偏振光

（2）波片

波片也称相位延迟片，是由晶体制成的厚度均匀的薄片，其

光轴与薄片表面平行，它能使晶片内的 o光和e光通过晶片后产

生附加相位差。根据薄片的厚度不同，可以分为1/2波长片，1/4波长片等，所用的1/2、1/4波长片皆是对钠光而言的。

当线偏振光垂直射到厚度为L，表面平行于自身光轴的单轴晶片时，则寻常光（o光）和非常光（e光）沿同一方面前进，但传播

的速度不同。这两种偏振光通过晶片后，它们的相位差φ为：2π（3-53）noneL其中， 为入射偏振光在真空中的波长， no和ne分别为晶片

对o光e光的折射率，L为晶片的厚度。

我知道，两个互相垂直的，同率且有固定相位差的

振，可用下列方程表示（通晶片后

o光和

e光的振）：

X Aesin

t

Y Aosin

t

从两式中消去 t，三角运算后得到全振的方程式：

X2Y22XYcossin2（3-54）Ae2Ao2AeAo由此式可知；①当

②当

=K2K

（K =

1π（K

0，.⋯⋯），偏振光。

= 0，.⋯⋯），正偏振光。在

2Ao=Ae，偏振光。

③当 其他，偏振光。

在某一波的偏振光垂直入射于晶片的情况下，能使o光和e光生相位差=(2K+1)（相当于光程差/2的奇数π倍）的晶片，称于色光的二分之一波片（/2波片），与此相似，能使o光和e光生相位2K1π（相当于光程差2λ/4的奇数倍）的晶片，称四分之一波片（/4波片）。本中所用波片（/4）是6328A（He-Ne激光）而言的。如3-28所示，当振幅A的偏振光垂直入射到/4波片上，振方向与波片光成角，由于o光和e光的振幅分

Asin和Acos，所以通/4波片后合成的偏振状也随角度的化而不同。

当=0°，得振方向平行于光的偏振光。

②当 =/2，得振方向垂直于光的偏振光。

③当 =/4时，Ae=Ao获得圆偏振光。

④当 为其他值时，经过 /4波片后为椭圆偏振光。

3．椭圆偏振光的测量

椭圆偏振光的测量包括长、 短轴之比及长、短轴方位的测定。

如图3-29所示，当检偏器方位与椭圆长轴的夹角为 时，则透射

光强为：

I A12cos2 A22sin2

3-28

3-29

=Kπ时

IImaxA212K1π时2

IIminA22则椭圆长短轴之比为

A1Imax（3-55）A2Imin椭圆长轴的方位即为 Imax的方位。

【实验内容与步骤】

1．起偏与检偏鉴别自然光与偏振光

1）在光源至光屏的光路上插入起偏器P1，旋转P1，观察光屏上光斑强度的变化情况。

2）在起偏器P1后面再插入检偏器P2，固定P1方位，旋转P2，

旋转360°，观察光屏上光斑强度的变化情况。 有几个消光方位？

（3）以硅光电池代替光屏接收 P2出射的光束，旋转 P2，每转

过10°记录一次相应的光电流值，共转 180°，在坐标纸上作出

I0～cos2关系曲线。

2．观察布儒斯特角及测定玻璃折射率

1）在起偏器P1后插入测布儒斯特角装置，再在P1和装置之间插入一个带小孔的光屏。调节玻璃平板，使反射光束与入射光

束重合，记下初始角1。

2）一面转动玻璃平板，一面同时转动起偏器P1，使其透过方向在入射面内。反复调节直到反射光消失为止，此时记下玻璃

平板的角度 2，重复测量三次，求平均值，算出布儒斯特角

0 2 1。

（3）把玻璃平板固定在布儒斯特角的位置上， 去掉起偏器 P1，

在反射光束中插入检偏器 P2，旋转P2，观察反射光的偏振状态。

3．观测椭圆偏振光和圆偏振光

1）如图3-30所示，先使起偏器P1和检偏器P2偏振轴垂直（即检偏器P2后的光屏上处于消光状态），在起偏器P1和检偏器P2

之间插入/4波片，转动波片使P2后的光屏上仍处于消光状态。用硅光电池（及光点检流计组成的光电转换器）取代光屏。

3-30

2）将起偏器P1转过20°，调节硅光电池使透过P2的光全部

进入硅光电池的接收孔内。转动检偏器 P2找出最大电流的位置，

并记下光电流的数值。重复测量 3次，求平均值。

（3）转动P1，使P1的光轴与 /4波片的光轴的夹角依次为 30°、

45°、60°、75°、90°值，在取上述每一个角度时，都将检偏器

P2转动一周，观察从 P2透出光的强度变化。

4．观察线偏振光通过 1/2波片时的现象（在前面实验的基础

上进行）

1）固定起偏器，转动检偏器至消光位置并固定不动。

2）在起偏器与检偏器之间插入1/2波长片。

3）转动1/2波长片一周，能看到几次消光？

4）转1/2波长片，并在“出光”一侧观察直至出现消光现象。记下此时1/2波长片与检偏器的角度值。

5）转动1/2波长片，其角度α=15°，此时，消光被破

坏，在转动检偏器至消光位置，再记下此时 1/2波长片与检偏器

的角度值。

6）继续进行类似的调节，使得1/2波长片转过的角度依次

30°，45°，60°，75°和90°，相应的调节检偏器至消光位置，记下此时的角度值。

将以上所记角度值填入表3-10中。

3-10线偏振光通过1/2波片的数据记录

1/2波长片 检偏器P

转动的α角度值

起始位置角度值

转至消光位置

角度值

检偏器转过的

角度值

15

30

45

60

75

90

从上面实验结果可以得出什么规律？怎样解释这一规律。

【数据处理】

1）数据表格自拟。

2）在坐标纸上描绘出Ip～cos2关系曲线。

（3）求出布儒斯特角021，并由公式（3-51）求出平板玻璃的相对折射率。4）由公式（3-55）求出20°时椭圆偏振光的长、短轴之比，并以理论值为准求出相对误差。

【思考题】

1．如何应用光的偏振现象说明光的横波特性？怎样区别自然

光和偏振光？

2．玻璃平板在布儒斯特角的位置上时， 反射光束是什么偏振

光？它的振动是在平行于入射面内还是在垂直于入射面内？

3． /4波片与 P1的夹角为何值时产生圆偏振光？为什么？

4．两片偏振片用支架安置于光具座上， 正交后消光，一片不

动，另一片的 2个表面旋转 180°，会有什么现象？如有出射光，

是什么原因？

5．2片正交偏振片中间再插入一偏振片会有什么现象？怎样

解释？

6．波片的厚度与光源的波长什么关系？

附：光学实验中常用光源

能够发光的物体统称为光源。实验室中常用的是将电能转换

为光能的光源— 电光源。常见的有热辐射光源和气体放电光源

及激光光源 3类。

1．热辐射光源

常用的热辐射光源是白炽灯。普通灯泡就是白炽灯，可作白

色光源，应按仪器要求和灯泡上指定的电压使用，如光具座、分

光计、读数显微镜等。

2．气体放电光源

实验室常用的钠灯和汞灯（又称水银灯）可作为单色光源，

它们的工作原理都是以金属 Na或Hg蒸汽在强电场中发生的游离

放电现象为基础的弧光放电灯。

220V额定电压下，低压钠灯发出波长为和的两种单色黄光最强，可达85%，而其他几种波长为和等的光仅有15%。所以，在

一般应用时取和的平均值作为钠光灯的波长值。

汞灯可按其气压的高低，分为低压汞灯、高压汞灯和超高压

汞灯。低压汞灯最为常用，其电源电压与管端工作电压分别为

220V和20V，正常点燃时发出青紫色光，其中主要包括 7种可见

的单色光，它们的波长分别是（红）、和（黄）、（绿）、（蓝绿）、（蓝

紫）、（紫）。

使用钠灯和汞灯时，灯管必须与一定规格的镇流器 （限流器）

串联后才能接到电源上去，以稳定工作电流。钠灯和汞灯点燃后

一般要预热 3～4分钟才能正常工作，熄灭后也需冷却 3～4分钟

后，方可重新开启。

3．激光光源

激光是20世纪60年代诞生的新光源。激光（Laser）是“受

激辐射光放大”的简称。它具有发光强度大、方向性好、单色性

强和相干性好等优点。激光器是产生激光的装置， 它的种类很多，

如氦氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、红宝石激光器

等。

实验室中常用的激光器是氦氖（ He-Ne）激光器。它由激光

工作的氦氖混合气体、激励装置和光学谐振腔 3部分组成。氦

氖激光器发出的光波波长为，输出功率在几毫瓦到十几毫瓦之

间，