大学物理实验《偏振光的观测与研究》

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：

0tan n φ=

（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

图3-26 自然光

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：

θ2

cos

I

I=（3-52）

式中θ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，透射光强度I发生周期性变化。当θ=0°时，透射光强最大；当θ=90°时，透射光强为极小值（消光状态）；当0°<θ<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）图为起偏器透光轴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。

图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：

()

o e

2π

n n L

?

λ

=-（3-53）

其中，λ为入射偏振光在真空中的波长，n o和n e分别为晶片对o光e光的折射率，L为晶片的厚度。

我们知道，两个互相垂直的，同频率且有固定相位差的简谐振动，可用下列方程表示（通过晶片后o光和e光的振动）：

()

e

o

sin

sin

X A t

Y A t

ω

ω?

=

??

?

=+

??

从两式中消去t，经三角运算后得到全振动的方程式为：

22

2

22

2

cos sin

e o e o

X Y XY

A A A A

??

++=（3-54）

由此式可知；

①当?=K π（K = 0，.……）时，为线偏振光。 ②当()

π

212

K ?=+（K = 0，.……）时，为正椭圆偏振光。在A o = A e 时，为圆偏振光。 ③当?为其他值时，为椭圆偏振光。

在某一波长的线偏振光垂直入射于晶片的情况下，能使o 光和e 光产生相位差?= (2K + 1)π（相当于光程差为λ/2的奇数倍）的晶片，称为对应于该单色光的二分之一波片（λ/2波片），与此相似，能使o 光和e 光产生相位()

π

212

K ?=+（相当于光程差为λ/4的奇数倍）的晶片，称为四分之一波片（λ/4波片）。本实验中所用波片（λ/4）是对6328A （H e -N e 激光）而言的。 如图3-28所示，当振幅为A 的线偏振光垂直入射到λ/4波片上，振动方向与波片光轴成θ角时，由于o 光和e 光的振幅分别为A sin θ和A cos θ，所以通过λ/4波片后合成的偏振状态也随角度θ的变化而不同。

① 当θ=0°时，获得振动方向平行于光轴的线偏振光。 ② 当θ=λ/2时，获得振动方向垂直于光轴的线偏振光。 ③ 当θ=λ/4时，A e = A o 获得圆偏振光。

④ 当θ为其他值时，经过λ/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：

222

212cos sin I A A ??=+

图3-28 图3-29 当?=πK 时

21max A I I ==

当()

π

212

K ?=+时 2

2min A I I ==

则椭圆长短轴之比为

min

max

21

I I A A = （3-55） 椭圆长轴的方位即为max I 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P 1，旋转P 1，观察光屏上光斑强度的变化情况。 （2）在起偏器P 1后面再插入检偏器P 2，固定P 1方位，旋转P 2，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P 2出射的光束，旋转P 2，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I 0～cos 2θ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P 1后插入测布儒斯特角装置，再在P 1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P 1，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

021???=-。

（3）把玻璃平板固定在布儒斯特角的位置上，去掉起偏器P 1，在反射光束中插入检偏器P 2，旋转P 2，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P 1和检偏器P 2偏振轴垂直（即检偏器P 2后的光屏上处于消光状态），在起偏器P 1和检偏器P 2之间插入λ/4波片，转动波片使P 2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。

图3-30

（2）将起偏器P 1转过20°，调节硅光电池使透过P 2的光全部进入硅光电池的接收孔内。转动检偏器P 2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P 1，使P 1的光轴与λ/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P 2转动一周，观察从P 2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为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。 表3-10 线偏振光通过1/2波片的数据记录

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I p ～cos 2θ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．/4λ波片与P 1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。

在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（H e-N e）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，多数氦氖激光管的管长为200～300mm，两端所加高压是由倍压整流或开关电源产生，电压高达1500～8000V，操作时应严防触摸，以免造成触电事故。由于激光束输出的能量集中，强度较高，使用时应注意切勿迎着激光束直接用眼睛观看。

目前，气体放电灯的供电电源广泛采用电子整流器，这种整流器内部由开关电源电路组成，具有耗电小、使用方便等优点。

光学实验中，常把光束扩大或产生点光源以满足具体的实验要求，图3-31和图3-32表示两种扩束的方法，它们分别提供球面光波和平面光波。

图3-31 图3-32