大学物理实验《偏振光的观测与研究》教学内容

大学物理实验《偏振光的观测与研究》

实验3.8 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

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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。

图3-26 自然光

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（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I 0的线偏振光通过检偏器后，透射

光的强度为：

θ20cos 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°< <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

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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 ωω?=???=+??

从两式中消去t ，经三角运算后得到全振动的方程式为：

222222cos sin e o e o X Y XY A A A A ??++= （3-54）

由此式可知；

①当?=K π（K = 0，1.2.……）时，为线偏振光。

②当()π212K ?=+（K = 0，1.2.……）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

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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：

222212cos sin I A A ??=+

图3-28