偏振光实验教学指导书

偏振光实验教学指导书
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。

一、教学目的
1、观察光的偏振现象，巩固理论知识。

2、掌握产生与检验偏振光的条件和方法，测量透过1/2波片和1/4波片后偏振光的变化。

二、教学要求
1、实验三小时完成。

2、用两偏振片验证马吕斯定律。

3、测量两种波片转动90°之间偏振光光强变化。

5、根据波片改变偏振光原理分析实验数据。

三、教学重点和难点
1、重点：1/2波片和1/4波片对偏振光偏振态的影响。

2、难点：1/4波片形成的椭圆偏振光极小值对应角度测量。

四、讲授内容（约20分钟）
光大体上有五种偏振态，即线偏振光、圆偏振光、
椭圆偏振光、自然光和部分偏振光。

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z传播的振
动方向相互垂直的线偏振光（例如—个电矢量为
x
E ，一个为
y
E ）的合成：
)
cos(kz t A E x x -=ω （1）
)
cos(ϕω+-=kz t A E y y （2）
式中A 为振幅，ω为二光波的圆频率，t 表时间，k 为波矢的数值数值，ϕ是两波的相对位相差。

合成矢量E 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
x
A 、
y
A 和ϕ决定。

当
y
x A A =及
2π
ϕ±
=时，椭圆偏振光退
化为圆偏振光；当πϕ±=,0或x A （或y A ）0=时，椭圆偏振光退化为线偏振光（如
下图）。

本实验中，着重考察的是光的各种偏振态的改变。

一、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B θ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)5.1(≈n 的玻璃平面上，则
571≈=-n tg B θ。

如果
自然光是以B θ入射到玻璃片堆上，则经多次反射，最后从玻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。

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E 垂直于偏振片透光方向的成分被强烈吸收，而E 平行于这光方向的分量则吸收较少。

马吕斯定律： 强度为0I 的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度
为2
0cos I I θ=。

式中θ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I 发生 周期性变化。

二、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， e 光电矢量平行于光轴。

而o 光、e 光的传播方向不变，仍都与界面垂直。

但o 光在晶体内的波速为o
v ，e 光的为
e
v ，即相应的
折射率
e
n n ,0不同。

设晶片的厚度为l ，则两束光通过晶片后就有位相差
l
n n e )(20-=
λ
π
σ
式中λ为光波在真空中的波长。

πσk 2=的晶片，称为全波片；π
σ)12(+=k 者为半波片；
π
σ)2
1
2(±=k 为4λ
片，以上的k 都是任意整数。

不论全波片、半
波片或4λ
片都是对一定波长而言。

以下直角坐标系的选择，使以e 振动方向为横轴，o 振动方向为纵轴（以o
轴为x 轴，e 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e 分量和o 分量。

三、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e 分量和o 分量。

透过晶片，二者之间产生一附加位相差σ。

离开晶片时合成光波的偏振性质，决定于σ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，引入一恒定的位相差 ，其结果还是无规则的。

若入射光为线偏振光，其电矢量E 平行于e 轴（或o 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。

四、2λ
波片与偏振光 若入射光为线偏振光，在2λ
片的前表面（入射处）上分解为：
t
A E e e ωcos =
)
cos(ϕω+=t A E o o πϕ,0=
出射光表示为：
)
2cos(l n t A E e e e λ
π
ω-
=
)
2cos(0l n t A E o o λπ
ϕω-
+=
我们关心的是二波的相对位相差，上式可写为：
t
A E e e ωcos =
)
cos()22cos(0σϕωλ
π
λ
π
ϕω-+=+
-
+=t A l n l n t A E o e o o πσ=
出射光二正交分量的相对位相差由)(σϕ-决定。

现在
)(σϕ-={00=--=-πππ
π
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E 入与晶片光轴成θ角，则E 出 与光轴成θ-角。

即线偏振光经2λ
片电矢量振动方向转θ2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，半波片还改变椭园偏振光（圆偏振光）的旋转方向。

五、4λ
片与偏振光
当偏振光正入射于4λ
片，仿照上述的分析、处理，可得出射光为：
t
A E e e ωcos =
)
cos(σϕω-+=t A E o o
2πσ±
=
（1）入射光为线偏振光：
πϕ,0=，上式代表一正椭圆偏振光。

2π
σϕ+
=-，对应于右旋；
2π
σϕ-
=-对应于左旋。

当
o
e A A =，出射光为圆偏振光。

（2）入射光为圆偏振光：
2π
ϕ±
=，此时o e A A =，上式代表线偏振光。

0=-σϕ，出射光电矢量沿一、
三象限；πσϕ=-出射光电矢量沿二、四象限。

5、实验主要步骤？
一、起偏与检偏、鉴别自然光与偏振光
1、在光源至光屏的光路中放入起偏器1P 。

旋转1P ，观察光屏上光斑强 度的变化情况并作出判断。

2、用光电探头接收P 2出射的光束，旋转P 2，每转过10°记录一次相
应的光电流值，共转180°，作出2
~cos
I θ关系曲线。

二、观测布儒斯特角及测定玻璃折射率
1、放置起偏器P 1和测布儒斯特角装置，再在P 1和装置之间放入带小
孔的光屏。

调解玻璃平板，使反射光束与入射光束重合。

记下初始角
1ϕ。

2、一面转动玻璃平板，一面同时转动起偏器P 1，使其透过方向在入
射面内。

反复调节起偏器P 1直到反射光消失为止，此时记下玻璃平板的角度2ϕ，重复测量三次，求出平均值。

计算出布儒斯特角021ϕϕϕ=-，并求出玻璃的折射
率n 。

3、把玻璃平板固定在布儒斯特角的位置上，去掉起偏器P 1，在反射
光束中放入检偏器P 2并转动P 2，观察反射光的偏振状态。

三、观测椭圆偏振光和圆偏振光1、使P 1和P 2正交，中间放入4λ
波片
并转动波片至消光。

2、按每次转动15°，由15°～90°转动4λ
波片。

在每一角度处沿同方向转动P 2至消光，记下P 2相应角度。

将数据填入表（一）中，并作
解释。

观察平面偏振光通过2λ
波片时的现象1、使P 1和P 2正交，中间放入2λ
波片并转动波片至消光。

2、按每次转动15°，由15°～90°转动2λ
波片。

在每一角度处沿同方向转动P 2至消光，记下P 2相应角度。

将数据填入表（二）中，并作解释。

五、实验注意事项？
1、保护光学元件的光学表面，不得触摸光学元件的光学表面。

2、激光管两端的高压引线头是裸露的，且激光电源空载输出电压高达数千伏，要警惕误触。

3、激光束光强极高，切勿用眼睛对视，防止视网膜遭永久性损伤。

六、指导要点
1、光学元件要注意调整共轴等高
2、光传感仪的增益调节要合适，无光强输入时应该在10以下。

3、1/4波片对偏振光形态的改变要注意检偏器极小值对应角度，波片光轴超过45°后，检偏器极小值对应角度与波片光轴重合。