偏振现象的观察与分析研究

若入射光为线偏振光，其电矢量 平行于 轴（或 轴），则任何波长片对它都不起作用，出行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，一般其偏振情况是要改变的。
1.2.9 波片与偏振光
若入射光为线偏振光，在 片的前表面（入射处）上分解为：
出射光表示为：
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； 为 片，以上的 都是任意整数。不论全波片、半波片或 片都是对一定波长而言。
以下直角坐标系的选择，使以 振动方向为横轴， 振动方向为纵轴（以 轴为x轴， 轴为y轴亦可）。沿任意方向振动的光，正入射到波晶片的表面，其振动便按此坐标系分解为 分量和 分量。
这是因为椭圆偏振光经过光轴方向与其长轴或短轴方向一致的 波晶片后变为线偏振光，部分偏振光经过 波晶片后仍然是部分偏振光。
4）鉴别左旋和右旋圆偏振光
鉴别装置由波晶片 和偏振片 前后排列组成，如图下图所示。其中 为 的 波晶片， 为偏振片P的透振方向。
若入射光为左旋或右旋圆偏振光，边旋转偏振片边观察通过偏振片的投射光强的变化，当出现消光现象时停止旋转。此时若偏振片的透振方向 位于 坐标系的一、三象限内，则入射光为右旋圆偏振光；若偏振片的透振方向 位于 坐标系的二、四象限内，则入射光为左旋圆偏振光。
1.1光波的偏振态
光是横波，仅说明光波的电场矢量方向处于与光的传播方向垂直的平面。在这个平面上电场矢量的振动有多种状态，称为光波的偏振态。光波的偏振态通常有五种。即如图1.1.1所示的自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。而线偏振光和圆偏振光又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பைடு நூலகம்振光(例如—电矢量为 ，一个为 )的合成：
1.2.3部分偏振光
一束光沿图1.2.3所示的 方向传播，在垂直光传播方向的 平面上，各个方向都有光波的振动矢量；但不同方向的振幅不相等，形成椭圆形振幅分布；多个振动矢量的初始相位随机分布，互不相关；具有这种振动状态的光称为部分偏振光。部分偏振光介于自然光和线偏光之间。若透射光强的极大值为 、极小值为 ，则有部分偏振光的光强为 。
(1.1.1)
(1.12)
式中 为振幅， 为二光波的圆频率， 表时间， 为波矢的数值， 是两波的相对位相差。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 及 时，椭圆偏振光退化为圆偏振光；当 或 (或 ) 时，椭圆偏振光退化为线偏振光（如上图）。
1.2 偏振光基础知识
3）鉴别部分偏振光和椭圆偏振光
若入射光为部分偏振光或椭圆偏振光，首先在入射光前面放置透振方向已知的偏振片 旋转偏振片，在出射光最强或最弱的位置停止旋转，这时偏振片的透振方向与部分偏振光或椭圆偏振光的长轴或短轴方向平行。再在偏振片后面放置光轴已知的 波晶片，旋转 波晶片，让波晶片的光轴与偏振片的透振方向平行。然后将偏振片由 波晶片的前面移到后面，旋转偏振片一周，边旋转边观察出射光强的变化，若出射光有消光位置，则该入射光为椭圆偏振光，否则为部分偏振光。
1）将五种偏振光分成三组，首先鉴别出线偏振光
在入射光前面放置偏振片 ，将 旋转一周，边旋转边观察出射光强的变化。若出射光强有变化，并且有光强变为零的消光位置，则入射光是线偏振光；若出射光强没有变化，则入射光为自然光或圆偏振光；若出射光强有变化，但光强始终不等于零，则入射光为部分偏振光或椭圆偏振光。
2）鉴别自然光和圆偏振光
1.2.10 片与偏振光
当偏振光正入射于 片，仿照上述的分析、处理，可得出射光为：
（1）入射光为线偏振光：
，上式代表一正椭圆偏振光。 ，对应于右旋； 对应于左旋。当 ，出射光为圆偏振光。
（2）入射光为圆偏振光： ，此时 ，上式代表线偏振光。 ，出射光电矢量沿一、三象限； 出射光电矢量沿二、四象限。
1.3、光波偏振态的鉴别
1.2.6变自然光为线偏振光
一束自然光入射到介质表面，其反射光和折射光一般是部分偏振光。在特定入射角即布儒斯特角 下，反射光成为线偏振光，其电矢量垂直于入射面。若光线是由空气射到折射率为 的玻璃平面上，则 。如果自然光是以 入射到玻璃片堆上，则经多次反射，最后从玻璃片堆透射出来的光也近于线偏振光。所有这些结论都可从菲涅耳公式出发得到论证。
线偏振光的传播方向与振动方向构成的平面称为线偏振光的振动面。如果观察同一波线上不同点的光振动，则其光振动都处在同一振动面上，因此又称线偏振光为平面偏振光。因为线偏振光的偏振程度最大，因此又称为全偏振光。线偏振光只包含单一振动方向的电矢量。其在任意一个方向的光强 均符合马吕斯定律，即 。线偏振光可以用偏振片产生，它的消光比满足消光比=最小透射光强/最大透射光强。
若入射光是自然光或圆偏振光，先在入射光前面放置 波晶片，再在 波晶片后面放置偏振片 将偏振片 旋转一周，边旋转边观察出射光强的变化，若出射光有消光位置，则该入射光为圆偏振光，否则为自然光。
这是因为圆偏振光经过 波晶片后变为线偏振光，自然光经过 波晶片后变为线偏振光，自然光经过 波晶片后仍然是自然光。
我们关心的是二波的相对位相差，上式可写为：
出射光二正交分量的相对位相差由 决定。现在
=
这说明出射光也是线偏振光，但振动方向与入射光的不同。如 入与晶片光轴成 角，则 出与光轴成 角。即线偏振光经 波片电矢量 振动方向转 角（如右图）。
若入射光为椭圆偏振光，作类似的分析可知，半波片也改变椭圆偏振光长（短）轴的取向。此外，半波片还改变椭圆偏振光（圆偏振光）的旋转方向。
对可见光，只考虑其电矢量。
1.2.1自然光
振动方向随机，相对于波矢对称，叠加是按强度进行叠加。
可沿任意方向正交分解，在任一个方向的强度为总强度之半。
自然光是大量原子同时发出的光波的集合。其中的每一列是有一个原子发出的，有一个偏振方向和位相，但光波之间是没有任何关系的。所以，他们的集合，就是在各个方向振动相等、位相差随机的自然光。
偏振现象的观察与分析研究
摘要：本课题研究的是光学实验中常用到的偏振光实验仪以及光的偏振性质，并对其中的旋光实验内容进行了扩充。内容主要包括以下几个部分：第一部分为光学的基础知识（尤其是偏振光）的介绍，包括光的分类、偏振光的获得、波晶片、半波片、四分之一波片；第二部分为对WZP-1偏振光实验仪结构和原理的简要介绍；第三部分为偏振光实验仪的调节与使用，包括仪器的调节、实验原理、实验步骤、实验结果及其分析和处理、实验注意事项。
第1章光波的偏振态及其分析方法
光的偏振是指光的振动方向不变，或电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆的现象。光的振动方向和光的传播方向垂直.自然光是各方向的振幅相同的光，对自然光而言，它的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内可取所有可能的方向，没有一个方向占有优势.若把所有方向的光振动都分解到相互垂直的两个方向上，则在这两个方向上的振动能量和振幅都相等.线偏振光是在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿一个固定方向振动.起偏器是将非偏振光变成线偏振光的器件；检偏器是用于鉴别光的偏振光状态的器件。
1.2.8光束通过波晶片后偏振态的改变
平行光垂直入射到波晶片后，分解为 分量和 分量。透过晶片，二者之间产生一附加位相差 。离开晶片时合成光波的偏振性质，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位相差是无规则的，通过波晶片，引入一个恒定的位相差 ，其结果还是无规则的。
1.2.4圆偏振光
电矢量端点轨迹的投影为圆。
每一时刻的电矢量可以分解为振幅相等、位相差为π/2、相互垂直的振动。
迎着光的传播方向观察， 为右旋， 为左旋。
用偏振片检验，圆偏光相同。
1.2.5椭圆偏振光
电矢量端点轨迹的投影为椭圆。每一时刻的电矢量可分解为
属于第一、第二象限时,此椭圆偏振光右旋偏振光； 在第三、第四象限时,此椭圆偏振光为左旋偏振光。椭圆长轴或短轴与坐标轴的夹角
1.2.7波晶片
波晶片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。
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o光与e光。o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 ， 光的为 ，即相应的折射率 、 不同。
设晶片的厚度为 ，则两束光通过晶片后就有位相差
自然光经过偏振片，其透过光基本上成为线偏振光。这是由于偏振片具有选择吸收性的缘故，入射光波中，电矢量 垂直于偏振片透光方向的成分被强烈吸收，而 平行于这光方向的分量则吸收较少。
马吕斯定律： 强度为 的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为 。式中 为入射偏振光的偏振方向与检偏器偏振方向之间的夹角。当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度 发生周期性变化。
Keywords:Polarized-lightMalus-lawBrewster-angleSlideOptical-phenomena
绪论
随着激光器的出现和激光技术的发展，古老的光学获得新的生命，其应用范围日益扩大，有的已成为高科技产业，有的则形成新型检测技术，例如：光纤通信、光大气通信、光盘存储、光全息技术、激光加工技术以及光传感技术等。为了进一步发展和应用这些技术，经常需要处理光的偏振问题，因而已开始形成光学技术中新的分支：光偏振技术。为了适应这一方面的发展需要，近几年国外已经有了偏振光学方面的专著出版，而国内这方面还较缺乏，一般的物理教材及光学专著中均无对偏振光学的深入讨论，尤其是随着光通信技术的发展，迫切需要详细的光偏振方面的知识。针对这一现状，本文通过理论与实践相结合的方式，对于偏振光学的基本特性、处理问题的方法等作比较全面的论述。
关键词：偏振光马吕斯定律 布儒斯特角波片 旋光现象
Observation and Analysis of Polarization