偏振光实验系统讲义

偏振光实验【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。

一.光的偏振1.偏振:振动方向对传播方向的非对称性.(1)自然光； (3)完全偏振光 (2)部分偏振光; 2.偏振光的种类:线偏振光 圆偏振光 椭圆偏振光自然光光强:II I y x 21==二. 马吕斯定律光强为I o 的线偏振光通过与其偏振化方向夹角为θ 的偏振片后的透射光的光强为cos 2θo I I =三.布儒斯特定律220π=+i i 反射光为光矢量垂直于入射面的完全偏振光 12n n tgi o =i o 称起偏振角—布儒斯特角折射光在下表面反射时也满足布儒斯特定律—玻璃片堆可起偏也可检偏.【实验原理】四. 晶体的双折射现象1.自然光进入各向异性晶体中,两束折射光均是偏振光: 服从折射定律寻常光线(o 光),振动垂直 o 光的主截面; 不服从折射定律异常光线 ( e 光),振动在 e 光的主截面内.2. o 光和e 光的主折射率o 光的主折射率: oo vc n =v o ：o 光在晶体中的传播速度 e 光的主折射率: ee v cn =v e ：e 光在晶体中垂直于光轴方向的传播速度/五. 波晶片▲ 四分之一波片)2,1,0(4)12()( =+±=-=∆k k d n n e o λ)2,1,0(2)12(2 =+±=∆=k k πλπδ作用:可将入射的线偏振光转变成椭圆(圆)偏振光.▲ 二分之一波片)2,1,0(2)12()( =+±=-=∆k k d n n e o λ)2,1()12(2 =+±=∆=k k πλπδ作用:可将入射的线偏振光的振动面与光轴间夹角旋转2倍,也可使椭圆(圆)偏振光的旋转方向改变.六.椭圆偏振光与圆偏振光两线偏振光的波动方程为:)1()cos(kz t A E x x -=ω)2()cos(ϕω∆+-=kz t A E yy 1). )2,1,0(2 =±=∆k k πϕ 一、三象限振动的线偏振光 2). )2,1,0()12( =+±=∆k k πϕ二、四象限振动的线偏振光3)主轴与坐标轴重合的椭圆,若A x =A y ，则为圆偏振光 4). 20πϕ<∆< 斜椭圆七．获得椭圆(圆)偏振光的方法:1).自然光经起偏后成线偏振光;2). 线偏振光垂直入射到波片(除全波片、半波片)上,且其振动方向与光轴有一夹角;3).从波片射出时,o光与e光合成为椭圆偏振光,其类型决定于波片的厚度及入射线偏振光振动方向与光轴的夹角;4).若要获得圆偏振光,则波片应为1/4波片,且入射线偏振光的振动方向与光轴成45o角.八.偏振态的实验检验自然光圆偏振光线偏振光椭圆偏振光部分偏振光【实验步骤】2.1 反射和折射起偏振 —— 布儒斯特角当自然光倾斜地投射到两种介质（例如空气和玻璃）分界面时，反射光和透射（折射）光一般都是部分偏振光。

当光束的入射角等于布儒斯特角时，折射定律可简化为B n θtg =这就是布儒斯特定律。

此时的反射光只有垂直于入射面的偏振分量，而平行于入射面的分量消失为零。

2.1.1 方法之一将高亮度小光源、狭缝板、凸透镜（fˊ=150mm ）、光学测角台分别装在机座导轨的滑动座上，调等高同轴，并使狭缝位于透镜的焦平面上；黑玻璃镜装在光学测角台中央；对准偏振轴方向的偏振片架装在转动臂上。

当6356B '︒=θ时，转动检偏器就能观察到垂直于入射面的光振动被消除的现象（如图2-1）。

检偏器图 2-12.1.2 方法之二在光具座上，由氦氖激光器发出的光束擦盘直接入射到立在光学测角台直径上的黑玻璃镜面，先转动测角台，使反射光束原路返回，由此定出入射光束的零度方位，利用滑动座的升降微调装置适当降低角度盘，然后再从入射角为15°~75°范围内寻找反射光束通过检偏器后，光强变到最小（甚至为零）时的角度（器件布置示于图2-2）。

这里的检偏器是一个能在支架上转动的偏振片，支架锁紧在测角台的转臂上。

用检偏器检查任一反射光束，都是偏振光，在改变入射角的过程中，检偏器透振轴指向水平方向（为什么？）。

检偏器后安装光电探头。

实验中入射角在10°~85°范围内，每增加5°，相应转动接收臂记录一次光电流读数。

用所得数据，以反射偏振光相对光强（%）为纵坐标，以角度为横坐标作图，即得一反射偏振光强度与入射角的关系曲线。

为了更准确的测量，可以选取48°~64°角的入射角，每2°（在低谷处甚至每1°或0.5°）测一次光电流（代表相对光强），画一幅更精确的曲线。

根据该曲线定出布儒斯特角。

图2-22.1.3 方法之三按图2-3所示在光具座上布置光路。

使氦氖激光器发出的光束通过一个偏振轴为水平方向的起偏器之后，照射立在光学测角台上的黑玻璃镜，转动测角台，使反射光束原路返回，以此位置为零度，再转动测角台，使入射角约达56°~57°时锁紧度盘，利用滑动座升降微调装置适当降低测角台，然后放松转动臂，在光电探头随着转臂缓慢转动过程中测量反射光的相对光强。

经反复观测，找到反射光为最暗（甚至为零）的位置，此时的入射角θB就是布儒斯特角。

图2-32.2 马吕斯定律如果光源中的任一波列（用振动平面E表示）投射在起偏器P上（图2-4），E（平行于光轴方向的矢量）能够通过，另一成分只有相当于它的成分之一的y=x则被吸收。

若投射在检偏器Eθcos)E(图 2-4A 上的线偏振光的振幅为E 0，则透过A 的振幅为θcos E 0（这里θ是P 与A 偏振方向之间的夹角）。

由于光强与振幅的平方成正比，所以透射光强I 随θ而变化的关系为θ20cos I I =这就是马吕斯定律。

实验内容：让激光束垂直通过起偏器成为偏振光，用检偏器检查时，使两个偏振器的透振方向的夹角θ在从0°转动一周的过程中，用连接光电流放大器的光电探头测量透射光强的相对值I ，每10°读取一次数据。

然后画出I-θ关系曲线。

图2-5是将实验数据输入计算机、打印出的θ-I 关系曲线。

角度偏振光相对光强图 2-52.3半波片的作用光束进入双折射晶体时被分成符合折射定律的寻常光（o 光）和不符合折射定律的非常光（e 光）。

o 光和e 光都是偏振光，但在晶体内有不同的波速，因此通过厚度一定的晶片时光程也不同。

设晶片厚度为d ，二光束通过晶片后就有相位差()d n n e -=02λπδ式中λ表示光的波长，n o 和n e 表示该晶片对o 光e 光的折射率。

使()π12+=k δ（k＝0，±1，±2…）的波片称半波片，它能使o 光和e 光发生相位差π（符合()2π12+=k δ（k ＝0，±1，±2…）条件的波片称1/4波片）。

波片的光轴平行于晶片的表面，在圆框上用短线标出。

实验：激光束通过起偏器P 变成线偏振光，再经过扩束器B ，旋转检偏器A ，使屏C 上光斑为最暗，然后在B 和A 之间加入半波片H （图2-6）。

使H 绕水平轴转动360°，同时观察C 上发生消光现象的次数并作解释；再进一步，加入H 后，将其旋转到C 上消光位置，从该位置开始，将H 分别转动15°、30°、45°、60°、75°和90°，相应地将A 逐次转到消光位置，列表记录每次A 需要转动的角度。

从实验结果总结出平面偏振光通过半波片后，振动面的变化规律，并予以解释。

ACH图 2-62.4 1/4波片与椭圆偏振光、圆偏振光当振幅为A 的面偏振光入射到石英晶体做成的波片时，若振动方向与波片光轴夹θ角，在直角坐标系内，o 光和e 光的振幅分别为θsin 0A A =和θcos A A e =。

从波片出射后的o 光和e 光的振动可以用两个互相垂直、同频率、有固定相位差的简谐振动方程表示，二者的合振动方程为椭圆方程，合振动矢量的端点轨迹一般为椭圆（如图2-7所示），所以称作椭圆偏振光。

图 2-7其中有个特殊情况， 即θ＝π/4，o 光和e 光振幅相等，合振动矢量的端点轨迹是圆，椭圆偏振光退化为圆偏振光，用检偏器检验，波片的透射光强是不变的。

实验：光路与图2-6类似，只是更换了波片。

使通过P和B的线偏振光与A 正交，C上光斑达到最暗，然后在B和A之间加入1/4波片Q，直到C上光斑最暗，从这个消光位置开始，每当Q转动15°、30°、45°、60°、75°和90°时，都将A转动360°。

根据屏上或光电接收装置显示的光强变化记录，可以判断1/4波片透射光的偏振态（限于平面偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光）。

3.5 二向色性起偏振有些晶体材料对自然光在其内部产生的偏振分量具有选择吸收作用，这种现象称作二向色性。

偏振片是人造的具有二向色性的常用偏振器件。

在长链聚合物中掺入细微的针状二向色晶体，受拉伸作用，并加以化学处理，使其分子固定排列取向。

因此能够透过高度偏振化的光波。

实验：将发光二极管小光源L用干版架和滑动座支起来，连接发光管的整流变压器插入220V插座。

再使小光源发出的自然光通过架好的偏振片P起偏振（为方便起见，使偏振片的透振方向竖直）。

先试验将P转动360°，同时用眼睛直接观察光强是否有变化。

然后用架好的另一偏振片A平行于P做检偏器，将A转动360°，观察并分析透射光强的变化规律（如图2-8所示）。

A图2-8【安全提示】切勿用眼睛直视激光器输出光束，以免视网膜受到永久性的伤害。