线偏振光的产生和检验
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。
实验十五 光偏振现象的观察和检验
实验十五光偏振现象的观察和检验一、实验目的1.观察光的偏振现象，了解偏振光的种类；2.掌握偏振光的产生及检验方法；3.了解波片的作用。
二、实验器材氦氖激光光源（1个），1/2波片（1片），1/4波片（1片），偏振片（2片），底座（4个），光电转换器（1个）。
三、实验原理（一）偏振光的种类光是电磁波，光的偏振现象表明光是一种横波，即电磁振动方向与光的传播方向垂直。
光作为电磁波，光波中含有电振动矢量和磁振动矢量，就光与物质的相互作用而言，起主要作用的是电矢量，通常称电矢量为光矢量。
并将光矢量和光的传播方向所构成的平面称为光的振动面。
根据光矢量的振动状态，可以把光分为五种偏振态，结合图15-1认识下面几种偏振态的概念：1.自然光：如果在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量的振动方向是无规则地变化着的，且发生在各个方向的概率均等，即各个方向的平均振幅相等,称此种光为自然光。
2.部分偏振光：如果某些方向光矢量的平均振幅较大，某些方向光矢量的平均振幅较小，则称为部分偏振光。
3.线偏振光：如果光矢量沿着一个固定方向振动，则称此种光为线偏振光或称平面偏振光。
4.椭圆偏振光：光矢量的大小和方向都作规则的变化，在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量的矢端运动轨迹是椭圆，称此种光为椭圆偏振光。
5.圆偏振光：当椭圆偏振光中光矢量的大小不变，只是方向作规则的变化，光矢量的矢端运动轨迹是圆，称此种光为圆偏振光。
（二）线偏振光的产生1.用偏振片来获取线偏振光偏振片是一种具有二向色性的晶体，所谓二向色性是指该晶体对两个相互垂直振动的光矢量具有不同的吸收本领。
当自然光通过二向色性晶体时，其中一方向的振动几乎完全被吸收，则透射出来的光为线偏振光。
2.反射和折射产生偏振光根据布儒斯特定律，当自然光以=arctan n的入射角入射到折射率为n的玻璃表面上时，其反射光为完全的线偏振光，振动面垂直于入射面，称为布儒斯特角。
此时透射光为部分偏振光，如果自然光以角入射到一叠平行玻璃片堆上，则经过多次反射和折射，最后从玻璃片堆透射出来的光也接近于线偏振光。
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。
大学物理第六章 波动光学(3)
178第6章 波动光学（Ⅲ）——光的偏振一．基本要求1．理解光的偏振的概念，光的五种偏振态的获得和检测方法； 2．掌握马吕斯定律及其应用；3．掌握反射光和折射光的偏振，掌握布儒斯特定律及其应用； 4．了解光的双折射现象；5．了解偏振光的应用。
二．内容提要和学习指导（一）光的五种偏振状态：自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。
（二）线偏振光的获得和检验 1．线偏振光的获得：①利用晶体的选择性吸收，可以制造偏振片。
偏振片可用作起偏器，也可用作检偏器。
②利用反射和折射偏振。
布儒斯特定律：自然光在两种介质的界面发生反射和折射时，一般情况下，反射光和折射光都是部分偏振光，在反射光中，垂直入射面的光振动较强，在折射光中，平行入射面的光振动较强。
当自然光以布儒斯特角121tan b i n -=入射（或/2i γπ'+=，或反射光线垂直于折射光线）时，反射光是线偏振光，其光振动垂直于入射面，此时折射光仍然是部分偏振光。
③利用晶体的双折射。
一束光射入各向异性介质时，折射光分成两束。
其中一束光遵守折射定律，称为寻常光（o 光）。
另一束光不遵守折射定律，称为非常光（e 光）。
o 光和e 光均是线偏振光。
o 光的振动方向垂直于o 光的主平面，e 光的振动方向在e 光的主平面内。
光线沿光轴方向入射时，o 光和e 光的传播速度相同。
在晶体内，o 光的子波波面为球面波，e 光的子波波面为旋转椭球面，利用惠更斯原理作图，可确定o 光和e 光的传播方向。
利用晶体的双折射现象，可以制造偏振棱镜和波片。
2．线偏振光的检验：①利用偏振片：由马吕斯定律可得，线偏振光经过检偏器后，出射光强I 与入射光强0I 的关系为：α20cos I I =，其中α是入射线偏振光偏振方向和偏振片通光方向的夹角。
②利用反射和折射偏振。
③利用偏振棱镜。
（三）圆偏振光或椭圆偏振光的获得和检验：线偏振光经过四分之一波片后出射的为椭圆偏振光，当平面偏振光的振动方向与四分之一波片的光轴方向成450角时，出射的为圆偏振光。
偏振光实验报告
实 验 报 告学生： 学 号： 指导教师： 实验地点： 实验时间： 一、实验室名称：偏振光实验室 二、实验项目名称：偏振光实验 三、实验学时： 四、实验原理：光波的振动方向与光波的传播方向垂直。
自然光的振动在垂直与其传播方向的平面，取所有可能的方向；某一方向振动占优势的光叫部分偏振光；只在某一个固定方向振动的光线叫线偏振光或平面偏振光。
将非偏振光（如自然光）变成线偏振光的方法称为起偏，用以起偏的装置或元件叫起偏器。
（一）线偏振光的产生1．非金属表面的反射和折射光线斜射向非金属的光滑平面（如水、木头、玻璃等）时，反射光和折射光都会产生偏振现象，偏振的程度取决于光的入射角及反射物质的性质。
当入射角是某一数值而反射光为线偏振光时，该入射角叫起偏角。
起偏角的数值α与反射物质的折射率n 的关系是：n=αtan （1）称为布如斯特定律，如图1所示。
根据此式，可以简单地利用玻璃起偏，也可以用于测定物质的折射率。
从空气入射到介质，一般起偏角在53度到58度之间。
非金属表面发射的线偏振光的振动方向总是垂直于入射面的；透射光是部分偏振光；使用多层玻璃组合成的玻璃堆，能得到很好的透射线偏振光，振动方向平行于入射面的。
图 1 图 22．偏振片分子型号的偏振片是利用聚乙烯醇塑胶膜制成，它具有梳状长链形结构的分子，这些分子平行地排列在同一方向上。
这种胶膜只允许垂直于分子排列方向的光振动通过，因而产生线偏振光，如图2所示。
分子型偏振片的有效起偏围几乎可达到180度，用它可得到较宽的偏振光束，是常用的起偏元件。
图 3鉴别光的偏振状态叫检偏，用作检偏的仪器叫或元件叫检偏器。
偏振片也可作检偏器使用。
自然光、部分偏振光和线偏振光通过偏振片时，在垂直光线传播方向的平面旋转偏振片时，可观察到不同的现象，如图3所示，图中(α)表示旋转P ，光强不变，为自然光；（b ）表示旋转P ，无全暗位置，但光强变化，为部分偏振光；（c ）表示旋转P ，可找到全暗位置，为线偏振光。
线偏振光的产生、检验PPT课件
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13
c. 渥拉斯顿(Wollaston)棱镜
➢ 渥拉斯顿棱镜由两块光轴互相正交的直角三棱柱晶体光 胶而成，其工作原理是利用光轴取向不同，使光波经过 界面后，振动方向发生改变，从而使不同振动方向的光 波在空间分离。
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➢ 渥拉斯顿棱镜的偏振分束角 对于“o-e”光束，偏振角为：
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3
② 消光比
消光比定义为：ρ=Tx/Ty ，对于理想起偏器，有：ρ =0 ③ 光谱范围
指起偏器能适用的光波光谱范围，主要取决于工件的工
作原理和材料性质。
④ 色散
当白光通过起偏器后，透射光的传播方向甚至振动方向
都可能因波长而异。
⑤ 稳定度
反应元件是否容易因光照、湿度、温度不当和机械冲击
本节授课内容
线偏器的定义、质量指标
质量指标包括：偏振度、偏振透过率、消光比、光谱范围 、色散和稳定度等。
各种起偏器
常见起偏器包括：基于布儒斯特角入射的反射和折射式起
偏器、基于天然双折射的晶体起偏器和基于人工双折射的
人造偏振片等。
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1
1.线偏器的定义
只让具有一定振动方向的光波通过的光学元件称为“线偏 器”。这个振动方向称为该元件的主方向或透射方向。
θco=62.7o, θce=82.6o ，格兰-空气棱镜θco=37.1o, θce=42.3o ） 即：
s in 1n gn o s in 1n gn e
o光将在分界面处发生全反射，而e光将部分透过界面。
➢ 格兰棱镜的优点：偏振度高、制作简单、稳定性好（格 兰-空气棱镜不使用胶合剂避免了强光照射时胶合剂变质 问题）；缺点：光能利用率低、光谱范围窄。
光偏振实验报告实验记载
一、实验目的1. 观察光的偏振现象，加深对光波横波性的认识。
2. 理解并验证马吕斯定律，掌握偏振光的产生和检验方法。
3. 掌握起偏器和检偏器的使用，熟悉不同偏振态光的产生与转换。
二、实验原理1. 光的偏振现象：光波是一种电磁波，其振动方向垂直于传播方向。
当光波通过某些特定介质或器件时，其振动方向发生改变，形成偏振光。
2. 马吕斯定律：当一束完全线偏振光通过一个偏振器时，透射光的光强与入射光的光强成正比，且透射光的光强与偏振器的偏振方向和入射光的光矢量振动方向的夹角有关。
3. 偏振光的产生和检验：利用起偏器和检偏器可以产生和检验偏振光。
起偏器可以使自然光变为线偏振光，检偏器可以检验光是否为偏振光。
三、实验仪器与用具1. 光具座2. 半导体激光器3. 偏振片4. 1/4波片5. 激光功率计6. 光屏四、实验步骤1. 将半导体激光器放置在光具座上，调整激光器的光束方向，使其垂直照射到偏振片上。
2. 将偏振片放置在光具座上，调整其偏振方向，观察光屏上的光强变化。
3. 在偏振片后放置1/4波片，调整1/4波片的光轴方向，观察光屏上的光强变化。
4. 将检偏器放置在1/4波片后，调整检偏器的偏振方向，观察光屏上的光强变化。
5. 改变偏振片和1/4波片的相对位置，观察光屏上的光强变化，验证马吕斯定律。
6. 利用偏振片和1/4波片产生椭圆偏振光和圆偏振光，观察光屏上的现象。
五、实验结果与分析1. 在实验过程中，当偏振片的偏振方向与入射光的光矢量振动方向平行时，光屏上的光强达到最大；当偏振片的偏振方向与入射光的光矢量振动方向垂直时，光屏上的光强达到最小。
2. 当1/4波片的光轴方向与偏振片的偏振方向平行时，光屏上的光强达到最大；当1/4波片的光轴方向与偏振片的偏振方向垂直时，光屏上的光强达到最小。
3. 在实验过程中，改变偏振片和1/4波片的相对位置，验证了马吕斯定律。
4. 通过实验观察，产生了椭圆偏振光和圆偏振光，并观察到了相应的现象。
偏振光的产生与检验.
偏振光的产生与检验摘要一直以来我们都知道光是一种波,波有纵波横波之分，但是一度时期对光波是纵波还是横波的定性找不到有力的证据。
自从马吕斯发现了光的偏振现象以后，人们可以直观的发现光的振动方向与光的传播方向成90度角，即光波是横波。
这也是符合光的电磁理论的。
本文通过分类、图像和实验的方法分析验证光的偏振现象。
以便加深对光的理解与认识，为日后对光的应用的研究做准备。
关键词波片；偏振片；线偏振光；椭圆偏振光；圆偏振光目录0引言 .................................................................................................................................... 2 1. 波片 . (2)1.1 41波片的作用 (4)2. 偏振光的种类 (5)2.1 线偏振光 (8)2.1.1线偏振光的产生 ............................................................................................ 8 2.1.2线偏振光的检验 ............................................................................................ 9 2.2 椭圆偏振光 (9)2.2.1椭圆偏振光的产生 ........................................................................................ 9 2.2.2椭圆偏振光的检验 ...................................................................................... 11 2.3圆偏振光 (12)2.3.1圆偏振光的产生 .......................................................................................... 12 2.3.2圆偏振光的检验 (12)参考文献 ............................................................................................................................. 14 致谢 . (14)0引言自马吕斯发现了光的偏振现象，推翻了当时人们对传播光波的媒介的假设，解除了很多人所受原有思想的限制。
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第六章第5讲
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Wave Optics
631线偏振光的产生和检验6.3.1 线偏振光的产生和检验
d
③二向色性起偏器,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(1
2n 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
●
x
Z=0
⊙
●
y
O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。
由于方解石2和方解石1二
者光轴垂直，当光进入到方
解石2时光变成光
解石2时，o 光变成e光n >n （o e ）：光密→光疏；
而e光变成o 光：光疏→光密
于是两光束在界面处发生折射而分开。
•渥拉斯顿(Wollaston)棱镜工作原理
–两晶体光轴垂直，光波在两晶体中传播时o 光e 光互相转换，使得两个振动方向光波空间分离e o −()
1sin sin δαα+=e o n n 2
1sin sin δδ=e n n e 和n o 很接近，因此δ1和δ2都是小角
11sin δδ≈22sin δδ≈1
cos 2≈δ角()α
δtg n n e o −≈2
•渥拉斯顿(Wollaston)棱镜工作原理
–两晶体光轴垂直，光波在两晶体中传播时o 光e 光互相转换，使得两个振动方向光波空间分离
o e −α
δtg n n e o )(3−≈两振动方向正交的出射光束被空间分离，之间的夹角δ为
α
δδδtg n n e o w )(232−=+=离，角w
晶体线偏振器•罗雄(Rochon)棱镜
晶体线偏振器•罗雄(Rochon)棱镜工作原理
–两晶体光轴垂直，进入棱镜左半部分的光束沿光轴方向传播，不论光振动方向如何，对应的折射率都是n o 。
射入右半部分后，一振动方向成分为寻常光，折射率仍为n o ，从CD 面垂直射出。
另一振动方向成分变为异常光，折射率为n e
−()20tan e n n δα
=
两振动方向正交的出射光束被空间分离，之间的夹角δ
R 为
()αδδtg n n
e o R −==2
例：如图所示的双折射棱镜是由一个普通玻璃直角棱镜ABC和一个方解石直角棱镜ACD光胶而成。
玻璃棱镜ABC和个方解石直角棱镜ACD光胶而成玻璃棱镜ABC的折射率n=1.5，方解石棱镜ACD的光轴c平行于DC面=16584=14864当束自然光沿KI方向DC面，no=1.6584,ne=1.4864。
当一束自然光沿KI方向垂直于AB面射入棱镜，投射光E1将成为线偏振光。
•（1）说明此双折射棱镜产生线偏振光的工作原理。
为（）说明此折射棱镜产生线偏振光的作原为使E1成为线偏振光，棱镜α角应在什么范围内？标出透射光E1的振动方向。
射光的振动方向
•（2）AC面的反射光E2是什么偏振态？说明理由。
2.偏振光的检验
¾检验有两重含义
-----确定被检光是否是线偏振光
-----测定线偏振光的振动方向。
¾检验方法:在旋转线偏器的同时，观察待检光透射后的光强。
如果不能观察到零强度，则待检光不是线偏振光；如果当主方向位在某个方位时出现零强度，则被检光是线偏振光，并且其振动方向与这时的主方向垂直。
¾用于这种目的的线偏器称为检偏器。
2
)(cos ψδ+p I (cos 2
p I 0δ或=
作业6.14, 6.15, 6.16
课下熟悉琼斯矩阵
632
6.3.2 椭圆偏振光的产生和波片
Polarizer
Polarizer
W ave
plate
1.椭圆(园）偏振光产生的途径分析
cos()
D D kz t ωϕ=−+=v 00cos()x x x y y y D D kz t ωϕ=−+x y D iD jD +
产生指定偏振态的椭圆偏振光，需要两个步骤：
第一步：利用线偏器将自然光转化成在给定坐标系(x,y)中有特定偏振方向角θ的线偏光，目的之一，保证该线偏光的振幅比为00/x y D D 。
为此需有：
1/tan D D −=θ()
00x y 之二，保证两个线偏振分量具有固定位相差（0或π）。
第二步让上述线偏光经历个各向异性过程第二步，让上述线偏光经历一个各向异性过程，在其x 、y 分量之间加上一个位相差δ，从而获得具有指定偏振态的椭圆偏振光振光。
注：产生以上椭圆偏振光，不要求其分量的振幅和位相一定要相等，只要求两个分量的振幅比等于，位相差等于δ即可。
所以满足要求的椭圆偏振光与D(z,t)
y0x0D /D 只有初位相和光强不同，偏振态是相同的。
2．波片
2波片
(1)波片的概念
d
基本功能是：在已知的两
个正交偏振方向上，为入
射的偏振光引入特定的附
加位相差。
加差
波片大多是光轴平行于表面的单轴晶体薄片。
d
(2)几种常用的单块式波片
波片：光轴平行于的晶体薄片
·
·
··表面的晶体薄片。
e
e o o
····y
x A
A e
A
A e
光轴
P
晶片
α
A o
λ
A o
α
椭圆(圆、线)
线偏振光
sin αA A o =偏振光
d
光轴α
cos A A e =从晶片出射的两束光由于出现相位差，而合成为一束椭圆、圆或线偏振光。
d
d
对于正单轴晶体和负单轴晶体制成的波片，对于单轴晶体和负单轴晶体制成的波片其快轴和慢轴正好相反。
正单沿光轴方向振动的光波（即
正单：0e n n <，沿光轴方向振动的光波（即e 光）的位相延迟比o 光多ϕΔ（e 光位相滞后）。
所以，光轴方向为慢轴方向（v ）。
负单：
n n >，沿光轴方向振动的光波（即
e 光）的0e 位相延迟比o 光少ϕΔ（e 光位相超前）。
所以，光轴方向为快轴方向（u ）。
(7) 附加位相差可调节的波片－补偿器()节
o-e 2
1//h n h n L e o +=在纸面内振动分量,o e
垂直纸面振动分量，e-o
2
1h n h n L o e +=⊥(a)巴比内补偿器(b)索列尔补偿器
()()
o e n n h h L −−=Δ12区别：光轴方向，光程的调整
作业
•11，13，15，16，
17,18，19, 20
•171819
小组讨论：自然光与圆偏振光的异同，部小组讨论：自然光与圆偏振光的异同部分偏振光与椭圆偏振光的异同，如何用所学常用波片区分？。