偏振光实验

偏振光实验

一、实验目的

1、通过产生和观察光的偏振状态,掌握产生与检验偏振光的原理和方法；

2、验证布儒斯特定律，了解产生与检验偏振光的元件及仪器。

二、实验原理

光是一种电磁波，而电磁波是横波，，它有电矢量E和磁矢量H，习惯上我们总是用电矢量E来代表光波。光波中的电矢量与波的传播方向垂直，光的偏振现象清楚得显示了光的横波性。

光大体上有五种偏振状态，即线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、自然光和部分偏振光。其中线偏振光和圆偏振光由可看作椭圆偏振光的特例。

椭圆偏振光可视为两个沿同一方向传播的振动方向相互垂直的线偏振光（如图1所示，一个为电矢量，一个为）的合成：

（1）

式中A表示振幅，为二光波的圆频率，表示时间，为波矢的数值，是两波的相对相位差。合成矢量的端点在波面内描绘的轨迹为一椭圆。椭圆的形

状、取向和旋转方向，由，和决定。当和时，椭圆偏振

光变为圆偏振光；当，或者（或）=0时，椭圆偏振光变为线偏振光（图2）。

本实验着重观察的是光的各种偏振态的改变。

1、光的偏振态

凡是电振动只限于某一确定方向和该方向的负方向的光称为线偏振光（亦称平面偏振光）。在垂直于光传播方向的任一确定平面内，光波电矢量端点随时间作椭圆运动的光称作椭圆偏振光；作圆运动的称作圆偏振光。以上三种统称完全偏振光，若在垂直于光传播方向的平面（简称迎光平面）内，电矢量的取向与大小都随时间作无规则变化，且各方向的取向几率相同，彼此之间没有固定的位相关系，则称为自然光。自然光和线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光三者的任一个组合起来，就成为部分偏振光。

2、线偏振光的获得

（1）反射起偏及透射起偏一束单色自然光从不同角度入射到介质表面，其反射光和折射光一般是部分偏振光。当以特定角度即布儒斯特（Brewster）角入射时，不管入射光的偏振状态如何，反射光将成为线偏振光，其电矢量垂直于入

射面。空气中相对于玻璃界面的偏化角约为。若使自然光以偏化角入射并通过一叠表面平行的玻璃片堆，由于自然光可以被等效为两个振动方向互相垂直、振幅相等且没有固定位相关系的线偏光，又因为光通过玻璃片堆中的每一个界面，都要反射掉一些振动垂直于入射面的线偏光，经多次反射，最后从玻璃片堆透射出来的光一般是部分偏振光，如果玻璃片数目较大，则透过玻璃片堆的就成为振动平行于入射面的线偏光了，这就是透射起偏法。所有这些结论都可以从菲涅耳公式得到论证。

（2）二向色性起偏实验发现，某些有机化合物晶体对不同偏振状态的光具有选择吸收的性质，这种性质叫做晶体的二向色性，即当自然光通过它时，只能有某一确定振动方向（称为透振方向）的光能够通过，而振动方向与此透振方向垂直的光却被吸收掉。利用它可以制成偏振片，市售的偏振片就是利用某种晶体粉末的二向色性制成的。这种起偏器可获得光束截面很大的线偏振光，且售价低廉，缺点是光能损失较多，且对波长有选择性。它还可以作为光的检偏器。

线偏振光的获得，有很多方法，除上面介绍的两种方法外，还有晶体双折射起偏等。我们在下面的波晶片中具体介绍。

3、马勒斯（Malus）定律

振幅为A、光强为的线偏光垂直入射到一块理想偏振片（检偏镜）上。若入射光电振动和偏振片透振方向之间夹角，则自偏振片出射光强为

角。这就是振幅投影的马勒斯定律。

4、波晶片

一束光在晶体内传播时被分成两束折射程度不同的光束，这种现象叫做光的双折射现象，能产生双折射的晶体常叫做双折射晶体。实验发现，晶体内一束折射光线符合折射定律，叫做寻常光（光），而另一束折射光线不符合折射定律，所以叫做非寻常光（光）。实验中还发现一个特殊的方向，当光沿着这个特殊的方向传播时，不会分成光和光，我们称这个方向为晶体的光轴。它表示晶体

的一个特定方向。只有一个光轴的晶体叫做单轴晶体，例如冰、石英、红宝石和方解石等。同理，双轴晶体具有两个光轴方向。

利用单轴晶体的双折射，所产生的寻常光（光）和非寻常光（光）都是线偏振光。前者的电矢量E垂直于光的主平面（晶体内部某条光线与光轴构成的平面），后者的E平行于光的主平面。

波晶片就是从单轴晶体中切割下来的平面平行板，其表面平行于光轴。它也叫做相位延迟片。

当一束单色平行自然光正入射到波晶片上，光在晶体内部便分解为光和光。光电矢量垂直于光轴，光电矢量平行于光轴。而光、光的传播方向不变，仍都与界面垂直。但光在晶体内的波速为，光在晶体内的波速为,即相应的折射率和不同。它们通过厚度一定的波晶片时的光程也不同。

设波晶片的厚度为，则两束光通过晶片后就有相位差

（2）

式中为光波在真空中的波长。的晶片，称为全波片；者为半波片；者为波片，为任意整数。不论全波片、半波片（）

还是片都是对一定波长而言。波晶片也常用云母按其天然解理面撕成薄片作成，云母是双轴晶体，但两个光轴都与解理面平行。

图3和图4的直角坐标系的选择，是以振动方向为横轴，称为轴，轴为纵轴，称为轴，反之亦可。沿任意方向振动的光，正入射到波晶片的表面，其振动便按坐标系分解为分量和分量。

5、通过波晶片的光的偏振态的变化

平行光垂直入射到波晶片内，分解为分量和分量，透过波晶片，两者间产生一附加相位差，离开波晶片时两者由合二为一，合成光的偏振性质决定于及入射光的性质。

自然光通过波晶片，仍为自然光。因为自然光的两个正交分量之间的相位差是无规的，通过波晶片，引如一恒定的相位差，其结果还是无规的。

若入射光为线偏振光，其电矢量E平行于轴（或轴），则任何波晶片对它都不起作用，出射光仍为原来的线偏振光。因为这时只有一个分量，谈不上振动的合成与偏振态的改变。

除上述两情形外，偏振光通过波晶片，一般其偏振态都要变化。我们可以将线偏光垂直通过波片后的偏振态归结在表1中。

6、片与偏振片

若入射光为线偏振光正入射于片，在片的表面（入设处）上分解为（图3）

出射光表示为

表1 线偏光通过波晶片后的偏振态