预习思考题_偏振光的产生与检测
【大学物理实验(含 数据+思考题)】偏振光的特性研究实验报告
实验3.4 光的偏振特性研究一、实验目的（1）了解自然光和偏振光的定义及特性。
（2）观察光的偏振现象，了解偏振光的产生方法和检验方法。
（3）了解波片的作用和用波片产生椭圆和圆偏振光及其检验方法。
二、实验仪器GSZ-Ⅱ光学平台（配有光具座、氦氖激光器及电源、扩束镜、偏振片、波片、观察屏等）。
三、实验原理1.自然光和偏振光的定义自然光：由普通光源所发射的光波，在光的传播方向上，任意一个场点，光矢量既有空间分布的均匀，又有时间分布的均匀性。
偏振光：光矢量相对于光的传播方向分布的非对称性。
部分偏振光：光波光矢量的振动在传播过程中只是在某一确定的方向上占有相对优势。
平面偏振光：光在传播的过程中光矢量的振动只限于某一特定的平面内。
圆偏振光：在光的传播方向上，任意一个场点光矢量以一定的角速度转动它的方向，但大小不变，其光矢量的末端在垂直于光传播方向的平面内的投影是一个圆。
椭圆偏振光：在光的传播方向上，任意一个场点光矢量即改变它的大小，又以一定的角速度转动它的方向，其光矢量的末端在垂直于光传播方向的平面内的投影是一个椭圆。
2.偏振光的产生及检验方法（1）平面偏振光的产生和检验方法：产生：本次实验中我们利用偏振片来生成平面偏振光。
偏振片是由具有二向色性的晶体制作成的，这些晶体对不同方向振动的光矢量具有不同的吸收本领，当自然光入射到这些晶体上时，透射光的光矢量仅在某一个特定的方向上，形成了平面偏振光。
检验：线性偏振光通过检偏器后，按照马吕斯定律，强度为I0的线偏振光通过检偏器，透射光的强度为I=I0cos2α,α=0/π时，透射光的强度最大，当α= (π/2)/(3π/2)时，透射光的强度为0，出现消光现象。
所以偏振器旋转一周，透射光的强度将发生强弱变化，并且消光两次，根据这个特点可以检测是否有平面偏振光。
（2）椭圆和圆偏振光的产生和检验方法：产生：波片是光轴平行于晶面的各向异性晶体薄片。
双折射是光束入射到各向异性的晶体，分解为两束光而沿不同方向折射的现象。
实验28 光的偏振
实验28 光的偏振1809年，法国军事工程师马吕斯发现了光的偏振现象。
阿喇果和费涅耳让一束光投射到方解石晶体上，产生出两条分离的光束。
这两条光束应该是相干的，却只产生均匀照度，而不产生干涉条纹。
杨氏由此推断，光一定是横波，这两束光的振动面一定是相互垂直的。
1817年杨氏提出了光的偏振和光是横波的概念。
光的电磁理论建立后，光的横波性又得到了理论上的证明。
光的偏振在光学计量、晶体性质的研究和实验应力分析等方面有广泛的应用。
一、实验目的1．观察光的偏振现象，加深理解偏振的基本概念。
2．了解偏振光的产生和检验方法。
3．观测布儒斯特角及测定玻璃折射率。
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。
(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（10-5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28-l。
(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28-2。
(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28-3。
部分偏振光可以看成是线偏振光和自然光的混合。
(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。
(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。
2. 玻璃片与玻璃片堆(1) 反射光的偏振与布儒斯特定律如图28-5所示，光在两介质（如空气和玻璃片等）界面上，反射光和折射光（透射光）都是部分偏振光。
偏振光的研究和检测
1，自然光通过检偏器 由于自然光具有轴对称性，将光强为Io的自然光中每一个光矢量都在x,y两个方向上分
解，因此有Ix=Iy=Io，这说明肉然光可以等效为等幅(Io/2) 、无确定相位关系、阻取向任意 的两个正交的线偏振光。
如图44-1所示,Ip- θ曲线应为一条直线。
2.线偏振光通过检偏器——马吕斯定律 马吕斯定律指出，一束如图44-2所示光强为Io的线偏振光，通过检偏器的透射光强为
人眼仅对光的强弱变化敏感，而无法直接感知光的各种偏振态，必须借助检偏器，研 声透射光强的孪化来判定光的偏振态。检偏器(或起偏器)是二种只允许某一振动方向光通 过的光学器件，当它用来产生线偏振光时称为起偏器，用来检验线偏振光时称为检偏器。 常用的检偏器有两类：一类是利用材料对不同方向的电磁振动具有选择吸收特性的原理制 成的，称为偏振片；另一类是用双折射晶体制成的特殊棱镜,如尼科耳棱镜,格兰棱镜等,这 类棱镜的透光率和偏振度远高于偏振片。在检偏器上能够让电矢量充分透过的方向称为透 振方向，记作P，与P正交的方向上的电矢量将被强烈吸收而无法透过，称为消光方向。
2.线偏振光的检验 将起偏器的起偏角定在偏振方向为0”的位置，然后旋转检偏器找到光强最大的位置，
记录功率计的读数，而后每隔30”记录一次透射光强的数值，直到旋转一周后出现两次极 大和两次“消光”。画出透射光强随角度变化的曲线与理论曲线相比较，验证马吕斯定律 。
3. 1/4波片的摆正 旋转检偏器使PA正交，在起偏器与检偏器之间放一1/4波片，调节波片使激光束通过
3.椭圆偏振光
角度 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 光强 0.08 0.34 0.99 1.30 1.02 0.42 0.08 0.34 0.95 1.26 0.99 0.34 0.08
偏振光的获得和检测
§17-10偏振光的获得和检测一、偏振光的获得1. 布儒斯特定律如果让自然光从折射率为n 1的介质射向折射率为n 2的介质而被界面反射，反射光中垂直于入射面的光振动成分将大于处于入射面内的光振动成分，当入射角等于某一特定角i 0时，反射光成为振动面垂直于入射面的线偏振光，并且i 0满足, (17-69)这个规律称为布儒斯特定律，i 0称为布儒斯特角或起偏角。
当入射角为i 0时，折射角为r 0，根据折射定律，应有. (17-70)将这个关系代入式(17-69)，得,即,这表示，当入射角为起偏角时，反射光与折射光互相垂直，如图17-40所示。
如果自然光从空气射到折射率为1.50的玻璃片上，根据布儒斯特定律，可以求得起偏角为56.3︒，此时的折射角为33.7︒。
当自然光以起偏角从一种介质入射到第二种介质的表面上，反射光成为线偏振光，而如果第二种介质没有特殊的吸收作用，那么折射光将成为部分偏振光，并且在入射面内的光振动成分将大于垂直于入射面的光振动成分。
假如让这样的部分偏振光连续几次作同样的反射和折射, 最后获得的折射光也必定是线偏振光。
2. 晶体的双折射现象在§8-7中讨论固体的一般性质时，曾涉及过晶体具有的一种普遍性质，即各向异性。
这里我们所要说的各向异性，是在某些透明晶体中光沿不同的方向具有不同的传播速率，具有这种性质的晶体，称为双折射晶体。
我们设想在各向同性的均匀介质中有一点光源s ，在任意瞬间光波的波面总是球面。
而在均匀的双折射晶体中，点光源s 发出的光波波面却有两组，一组是球面，另一组是旋转椭球面，如图13-41所示。
这两组波面在某一方向上彼此相切，如图中qq '的方向，这个方向称为晶体的光轴。
图 17-41在一般情况下，当平行自然光垂直入射到晶体的表面时，根据惠更斯原理，被照射的晶体表面上各点都是发射子波的波源，而子波的波面有球面和椭球面两种，所以子波波面的包络面也应有两种，即球面的包络面和椭球面的包络面。
线偏振光的产生和检验
第六章第5讲pWave Optics631线偏振光的产生和检验6.3.1 线偏振光的产生和检验d③二向色性起偏器,人造偏振片一、晶体起偏器件1、晶体的二向色性、晶体偏振器某些晶体对o光和e光的吸收有很大差异，例如电气石对光有强烈吸收对光这叫晶体的二向色性（dichroism）。
例如，电气石对o光有强烈吸收，对e光吸收很弱，用它就可以产生线偏振光。
e 光····光轴电气石光轴线栅起偏器入射光含有各种偏振态平行于线方向的偏振光能够激发电子沿线移动，这导致光的发射从而抵消了入射光。
对于垂直于线的偏振光不会发生这种现象。
这种起偏器在红外波段工作最好。
二向色性偏振片采用同样的思路，但是使用长聚合物。
可见光波段的线栅起偏器应用半导体制备技术, 用于可见光波段的线栅起偏器已被开发出来。
间距小于1微米。
n )arcsin(12n c =θ使入射光束在入口处分成两束。
垂直偏振光经过从高折射率(1.66)到低折射光束往下倾斜，异常光折射率接近寻常光，也可能发生全反射。
<GKH=14º时，异常光全反射格兰(Glan)棱镜()偏振棱镜可由自然光获得高质量的线偏振光，它又可分为偏光棱镜和偏光分束棱镜。
z 偏光棱镜：可由自然光获得原方向的线偏振光吸收涂层格兰—汤姆孙棱镜光轴的取向使e光对应············•光轴方解石o e i的恰是n e 。
•光轴方解石加拿大树胶(n =1.55)n o （1.6584）＞n （1.55）＞n e （1.4864）i 临界角光全反射了光可通过i > 临界角，o 光全反射了，e 光可通过。
B .格兰(Glan)棱镜●xZ=0⊙●yO光e光主平面是与此上图垂直的平面晶体线偏振器•格兰(Glan)棱镜渥拉斯顿(Wollaston)棱镜(a)和罗雄(Rochon)棱镜(b)晶体线偏振器可由自然光获得分开的两束线偏振光光进入到第1块方解石后，o光和e光在方向上没有分开渥拉斯顿(Wollaston)棱镜o光和e光在方向上没有分开。
偏振光的产生检测和旋光现象
7
1、线偏振光的产生-(3)、双折射晶体产生线偏振光
在双折射晶体中内，自然光波被分解成光矢量互相正交的 线偏振光传播，把其中的一束光拦掉，便得到线偏振光。
[1]、 尼科耳棱镜
90 A
48
28o
68
B
加拿大树胶 D
e光
O光
C
no 1.658 ne 1.486
n胶 1.55 8
[2]、格兰-汤姆逊棱镜
一、偏振光的产生和检测
❖1、线偏振光的产生 ❖ (1)、由反射与折射产生线偏振光 ❖ (2)、由二向色性产生线偏振光 ❖ (3)、由双折射产生线偏振光
❖2、椭圆(圆)偏振光的产生 ❖3、偏振光的检测
1
1、线偏振光的产生-(1)、由反射与折射产生偏振光
自然光在两种各向同性介质的分界面上反射和折射时，不但光 的传播方向要改变，而且光的偏振状态也要改变，所以反射光 和折射光都是部分偏振光。 在一般情况下，反射光是以垂直于入射面的光振动(s光)为主的 部分偏振光；折射光是以平行于入射面的光振动(p光)为主的 部分偏振光。
垂直于图面振动的 o光在第二棱镜中变为e光，石英的ne>no， 在斜面上折射光线偏向法线，得到两束分开的振动方向互相垂 直的线偏振光。
只允许光从左方射入棱镜。
14
❖2、椭圆(圆)偏振光的产生
可以借助波片将线偏振光变成椭圆(圆偏振光)
波片也称相位延迟器，能使偏振光的两个互相垂直的线偏振 (分)光之间产生一个相对的相位延迟，从而改变光的偏振态。
——————这就是Brewster定律。
其中 i 叫做布儒斯特角或起偏角。以后用 B表示。
这实验规律可用电磁场理论的菲涅耳公式解释。
3
B
20.光的偏振习题思考题
习题20-1．从某湖水表面反射来的日光正好是完全偏振光，己知湖水的折射率为33.1。
推算太阳在地平线上的仰角，并说明反射光中光矢量的振动方向。
解：由布儒斯特定律5333.1arctan arctan12===n n α 372=-απ在反射光中振动方向为与入射面垂直。
20-2．自然光投射到叠在一起的两块偏振片上，则两偏振片的偏振化方向夹角为多大才能使：（1）透射光强为入射光强的3/1；（2）透射光强为最大透射光强的3/1. (均不计吸收) 解：设夹角为α，则透射光强α20cos I I =通过第一块偏振片之后，光强为：1/2I 0， 通过第二块偏振片之后：α20cos 21I I = 由题意透射光强为入射光强的3/1得 I=I 0/3则αα=35.26° 同样由题意当透射光强为最大透射光强的3/1时，也就是透射光强为入射光强的1/6， 可得： α=54.74°20-3．设一部分偏振光由一自然光和一线偏振光混合构成。
现通过偏振片观察到这部分偏振光在偏振片由对应最大透射光强位置转过60时，透射光强减为一半，试求部分偏振光中自然光和线偏振光两光强各占的比例。
解: 10max 21I I I +=60cos 21210max I I I += 即得1110：：=I I 20-4．由钠灯射出的波长为nm 0.589的平行光束以50角入射到方解石制成的晶片上，晶片光轴垂直于入射面且平行于晶片表面，已知折射率65.1o =n ，486.1e =n ，求 （1）在晶片内o 光与e 光的波长；（2）o 光与e 光两光束间的夹角.解:由 nc v c n λλ==∴nm n c97.35665.10.58900===λλ nm n e c e 37.396486.10.589===λλ OO n ϕsin 50sin =66.2750sin arcsin ==O O n ϕ 03.3150sin arcsin ==ee n ϕΔφ=3.37°20-5．在偏振化方向正交的两偏振片1P ,2P 之间，插入一晶片，其光轴平行于表面且与起偏器的偏振化方向成 35，求（1）由晶片分成的o 光和e 光强度之比； （2）经检偏器2P 后上述两光的强度之比。
线偏振光的产生和检验
第六章第5讲pWave Optics631线偏振光的产生和检验6.3.1 线偏振光的产生和检验d③二向色性起偏器,人造偏振片一、晶体起偏器件1、晶体的二向色性、晶体偏振器某些晶体对o光和e光的吸收有很大差异，例如电气石对光有强烈吸收对光这叫晶体的二向色性（dichroism）。
例如，电气石对o光有强烈吸收，对e光吸收很弱，用它就可以产生线偏振光。
e 光····光轴电气石光轴线栅起偏器入射光含有各种偏振态平行于线方向的偏振光能够激发电子沿线移动，这导致光的发射从而抵消了入射光。
对于垂直于线的偏振光不会发生这种现象。
这种起偏器在红外波段工作最好。
二向色性偏振片采用同样的思路，但是使用长聚合物。
可见光波段的线栅起偏器应用半导体制备技术, 用于可见光波段的线栅起偏器已被开发出来。
间距小于1微米。
n )arcsin(12n c =θ使入射光束在入口处分成两束。
垂直偏振光经过从高折射率(1.66)到低折射光束往下倾斜，异常光折射率接近寻常光，也可能发生全反射。
<GKH=14º时，异常光全反射格兰(Glan)棱镜()偏振棱镜可由自然光获得高质量的线偏振光，它又可分为偏光棱镜和偏光分束棱镜。
z 偏光棱镜：可由自然光获得原方向的线偏振光吸收涂层格兰—汤姆孙棱镜光轴的取向使e光对应············•光轴方解石o e i的恰是n e 。
•光轴方解石加拿大树胶(n =1.55)n o （1.6584）＞n （1.55）＞n e （1.4864）i 临界角光全反射了光可通过i > 临界角，o 光全反射了，e 光可通过。
B .格兰(Glan)棱镜●xZ=0⊙●yO光e光主平面是与此上图垂直的平面晶体线偏振器•格兰(Glan)棱镜渥拉斯顿(Wollaston)棱镜(a)和罗雄(Rochon)棱镜(b)晶体线偏振器可由自然光获得分开的两束线偏振光光进入到第1块方解石后，o光和e光在方向上没有分开渥拉斯顿(Wollaston)棱镜o光和e光在方向上没有分开。
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北京师范大学物理实验教学中心基础物理实验预习思考题
【实验题目】偏振光的产生与检测
1.光的偏振现象揭示了光波的什么性质？列举几个偏振光的应用？
答：光的偏振揭示了光的波动性。
应用：1. 在摄影镜头前加上偏振镜消除反光。
在拍摄表面光滑的物体，在拍摄时加用偏振镜，借以消除或减弱这些光滑物体表面的反光或亮斑。
2. 使用偏振镜看立体电影。
3. 汽车使用偏振片防止夜晚对面车灯晃眼。
4、生物的生理机能与偏振光。
沙漠中有一种蚂蚁，它能利用天空中的紫外偏光导航，因而不会迷路。
：
2.光有几种宏观偏振态？自然界中的光都是“自然光”吗？
答:光的宏观偏振态主要有五种，线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、自然光和部分偏振光，而线偏振光和圆偏振光又可认为是椭圆偏振光的特例。
自然界中的光不都是“自然光”。
在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。
自然光源一般情况下认为是非偏振光，自然光源一般情况下认为是非偏振光，但是经过水面反射和折射过后没，就能产生偏振光。
3.列举几种由自然光产生线偏振光的方法。
1、在透明媒质界面上的折射和反射。
让自然光以偏化角入射在二种不同透明媒质的界
面时，可得完全偏振的反射光与部分偏振的透射光。
2、通过双折射晶体，如尼科耳棱镜
3、通过双色性（又名二向色性）晶体，如偏振片。
4.写出偏振光马吕斯定律的光强公式。
答：强度为Io的线偏振光，透过检偏片后，透射光的强度(不考虑吸收)为I=Io(cosa)^2 式中α是线偏振光的光振动方向与检偏器透振方向间的夹角。
5.如何由实验判断两偏振片达到正交？
用光垂直照射一个偏振片并固定，把另一个放在后面，转动后一个偏振片观察没有光透过时两偏振片就正交了。
此时看到的透射光最暗，再继续旋转检偏振片，则逐渐变亮，说明该方向达到正交。
成绩（满分20 分）：。