光的偏振现象的研究

图2 二向色性起偏图1 平面偏振光、自然光和部分偏振光实验名称光的偏振现象的研究姓 名学 号 班 级桌 号 教 室 基础教学楼1406实验日期 20 年 月 日 时段 指导教师一. 实验目的1. 观察光的偏振现象，加深对光偏振基本规律的认识。

2. 了解产生和检验偏振光的基本方法。

3. 验证马吕斯定律。

4．1/4波片，1/2波片的研究； 5.利用旋光现象测定蔗糖溶液浓度 二. 实验仪器导轨和机座, 氦氖激光器（功率约5mW ）, 激光器架, 偏振片波片架, 滑动座(5个)， 光传感器(光电探头)，光功率测试仪，偏振片（两个），1/4波片（波长632.8nm ），1/2波片（波长632.8nm ），透明蔗糖溶液，螺丝刀三. 实验原理（请携带并参阅大学物理课本）1. 偏振光的基本概念光波是一种电磁波，它的电矢量 和磁矢量 相互垂直，并垂直于光的传播方向C 。

通常人们用电矢量 代表光的振动方向，并将电矢量和光的传播方向C 所构成的平面称为光的振动面。

在传播过程中，电矢量的振动方向始终在某一确定方向的光称为平面偏振光或线偏振光，如图1(a)所示。

振动面的取向和光波电矢量的大小随时间作有规律的变化，光波电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆时，称为椭圆偏振光或圆偏振光，人眼逆光来看，若电矢量末端按照顺时针方向旋转，则称评 分教师签字图3 双折射起偏原理图为右旋椭圆或右旋圆偏振光，反之为左旋。

通常光源发出的光波有与光波传播方向相垂直的一切可能的振动方向，没有一个方向的振动比其它方向更占优势。

这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光，如图1(b)所示；如果光波电矢量的振动在传播过程中只是在某一确定方向上占优势，则此偏振光称为部分偏振光，如图1(c)所示。

将自然光变成偏振光的器件称为起偏器，用来检验偏振光的器件称为检偏器。

实际上，起偏器和检偏器是互为通用的。

下面介绍几种常用的起偏和检偏方法。

２. 二向色性起偏、马呂斯定律、双折射起偏及波片物质对不同方向的光振动具有选择吸收的性质，称为二向色性。

当自然光射到偏振片上时，振动方向与透振方向垂直的光被吸收，振动方向与透振方向平行的光透过偏振片，从而获得偏振光。

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（见图2所示）。

若在偏振片P 1后面再放一偏振片P 2，P 2就可以用作检验经P 1后的光是否为偏振光，即P 2起了检偏器的作用。

当起偏器P 1和检偏器P 2的偏振化方向间有一夹角，则通过检偏器P 2的偏振光强度满足马呂斯定律：（1）当θ= 时，I=I 0， 光强最大；当θ= 时，I =0，出现消光现象；当θ为其它值时，透射光强介于0～I 0之间。

（1）双折射起偏某些单轴晶体（如方解石和石英等）具有双折射现象。

当一束自然光射到这些晶体上时，在界面射入晶体内部的折射光常为传播方向不同的两束折射光线，这两束折射光是光矢量振动方向不同的线偏振光。

其中一束折射光，称为寻常光（或O 光）；另一束折射光 ，其振动在 内，称为非常光（或e 光），如图3所示。

研究发现，这类晶体存在这样一个方向，沿该方向传播的光 ，该方向称为光轴。

主平面：主截面：（2）反射和折射时光的偏振自然光在两种透明媒质的界面上反射和折射时，反射光和折射光就能成为部分偏振光或平面偏振光，而且反射光中垂直入射面的振动较强，折射光中平行入射面的振动较强。

实验发现，当改变入射角i 时，反射光的偏振程度也随之改变，当i 等于特定角0i 时，反射光只有垂直于入图4用反射和折射起偏图5 用玻璃堆产生平面偏振光射面的振动，变成了完全偏振光，如图4所示。

此时入射角0i 满足 （1n 和2n 为两种媒质的折射率)，这个规律称为布儒斯特定律，0i 称为起偏角或布儒斯特角。

可以证明：当入射角为起偏角时，反射光和折射光传播方向是互相垂直的。

图5是利用玻璃堆产生平面偏振光。

３. 1/2波片、1/4波片，圆偏振光和椭圆偏振光当平面偏振光垂直入射到厚度为d ，表面平行于自身光轴的单轴晶片时，o 光和e 光沿同一方向前进，但传播速度不同，因而会产生位相差，在方解石（负晶体）中，e 光速度比o 光快，而在石英（正晶体）中，o 光速度比e 光快。

因此通过晶片后两束光的光程差和位相差分别为：d n ne o )(-=δ d n n e o )(2-⋅=∆λπ （2）式中，λ为光在真空中的波长，o n 和e n 分别为晶片对o 光和e 光的折射率。

由dn n e o )(2-⋅=∆λπ可知经晶片射出后，o 光和e 光合成的振动随位相差的不同，就有不同的偏振方式。

（在偏振技术中，常将这种能使互相垂直的光振动产生一定位相差的晶体片叫做波片）。

因此晶片厚度不同，对应不同的相位差和光程差，当光程差满足：()o e n n d δ=-= （k =0，1，2…）时， 为1/2波片； （3） 当光程差满足：()o e n n d δ=-= （k =0，1，2…）时， 为1/4波片。

（4） 平面偏振光通过λ/4片后 ，一般变为椭圆偏振光；但当θ= 或 时，出射的仍为平面偏振光，而当θ= 时，出射的为圆偏振光。

所以可以用λ/4波片获得椭圆偏振光和圆偏振光。

4. 旋光现象偏振光通过某些晶体或物质的溶液时， ， 称为旋光现象。

具有旋光性的晶体或溶液称为旋光物质。

最早是发现石英晶体有这种现象，后来继续发现在糖溶液、松节油、硫化汞、氯化钠等液体中和其他一些晶体中都有此现象。

有的旋光物质使偏振光的振动面顺时针方向旋转（逆光观察），称为右旋物质，反之称为左旋物质。

振动面的旋转角度不仅与入射光的波长有关，还与光在该物质中通过的 有关。

对于有旋光性的溶液，旋转角还与溶液中旋光物质的浓度成 。

四. 实验内容注意：实验前请用手或书本遮住光电流传感器，光功率测试仪选用20mW 档位，然后用调零旋钮进行调零！1.部分偏振光及平面偏振光的检验（1）将氦氖激光器发出的激光直接射到偏振片上，以光传播方向为轴转动偏振片一周，用光功率测试仪观测透射光强度的变化并记录。

（2）在第一个偏振片的后面放上第二个偏振片，分别转动第一个偏振片和第二个偏振片各一周，用光功率测试仪观测透射光强度变化情况。

将两次观测结果记入表1进行比较，并作出解释。

表1 观察光强变化表（转动偏振片一周）偏振片 透射光强是否变化?消光次数说明消光次数的原因放一个，旋转一周放两个，旋转靠 近激光器那个放两个，旋转靠近 光电流传感器那个2. 验证马呂斯定律让激光束（线偏振光）垂直通过偏振片，偏振片透振方向与激光光矢量振动方向夹角θ在90°~00转动一周的过程中，用光功率测试仪（20mW 档位）测量透射光强的相对值I ，每10°读取一次数据，记录数据，然后画出（I-I min ，θ）及（I-I min ，2cos θ）关系曲线（I-I min 为纵轴，θ或2cos θ为横轴）表2 检验马呂斯定律的实验数据表0max I (0=夹角）max I (90=夹角）θ 908070605040302010I(mW) Cos 2θ I-I min为什么I 要减掉I min ？ 答：图6.1（I-I min ，θ）关系曲线 图6.2（I-I min ，2cos θ）关系曲线3. 1/2波片的作用（1）让激光器产生的激光依次穿过偏振片P 1、P 2、光传感器；转动P 2，使光功率最小（这时P 1和P 2透振方向垂直）。

（2）保持P 1和P 2不动，在P 1和P 2间插入1/2波片。

转动波片，再使光功率最小； （3）以此时波片光轴位置为起点，转动1/2波片，使其光轴与起始位置的夹角依次为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°时；分别将P 2转动一周，记录光功率变化情况，并对入射到P 2的光偏振态分别作出判断。

表3.1 用1/2波片观察光强变化表 1/2波片转角 P 2转一周,入射到P 2的光偏振态 透射光强是否变化? 光强变化次数完全or 不完全消光0°30°45°60°75°90°（4）在（2）步骤的基础上，将波片以起始位置为零点分别转动15°、30°、45°、60°、75°、90°，相应地将P2 沿相同方向逐次转到消光位置，记录每次P2需要转动的角度。

并对实验结果予以解释。

表3.2 P2随1/2波片转角的变化1/2波片转角（以起始位置为0点）P2转过的角度（以起始位置为0点）结果解释15°30°45°60°75°90°4. 1/4波片与椭圆偏振光、圆偏振光实验步骤与1/2波片相同，记录数据并判断现象。

表4 用1/4波片观察光强变化表1/4波片转角P2转一周,入射到P2的光偏振态透射光强是否变化? 光强变化次数完全or不完全消光0°15°30°60° 75° 90°5．观测线偏振光通过蔗糖溶液后的旋光现象，并测定蔗糖溶液的浓度（蔗糖溶液为右旋光溶液）a.自己设计并画出光路简图，标明各器件位置即可（提示：旋转激光管可以改变入射激光的电矢量振动方向）；b.计算蔗糖溶液浓度。

已知：c LaΦ=， Φ:旋光角度,0=0.5Φ∆； L=25.00cm ，为旋光溶液长度（单次测量）,L =0.1mm ∆；a=6.640ml/g.cm ，为蔗糖溶液旋光率表5 旋光角测量记录表次数 1 2 3 4 5 6 7 8Ф1（度）Ф2（度） Ф=|Ф2-Ф1|（度）数据处理及不确定度计算：①L u = ②u A Φ=B u Φ=u Φ=③c = ④c E =c u =⑤c c c U =±=c E = %五、思考及讨论1. 光的偏振现象说明了什么?2. 产生线偏振光的方法有那些? 将线偏振光变成圆偏振光或椭圆偏振光要用何种器件?在什么状态下产生?实验中如何判断线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光?。