偏振光现象的研究

课题偏振光现象的研究

1．观察光的偏振现象，掌握产生与检验偏振光的条件和方法；教学目的 2．测量布儒斯特角；

3．验证马吕斯定律。

重难点 1．激光器与光具组的共轴调节；

2．布儒斯特角的测定。

教学方法讲授、讨论、实验演示相结合。

学时 3个学时

一、前言

光的偏振是指光的振动方向与光的传播方向的不对称性.偏振现象是证明光为横波的最有力的证据，在科学上具有极其重要的意义。它不但丰富了光的波动说的内容，而且具有重要的应用价值。

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状态的器件。

二、实验仪器

He-Ne激光器，光具座，光靶，光学测角台，偏振片，黑玻璃镜，1/2波片，1/4波片，白屏，光功率计等

三、实验原理

1.光的偏振性

光波是波长较短的电磁波，电磁波是横波，光波中的电矢量与波的传播方向垂直。光的偏振观象清楚地显示了光的横波性。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。

（1）自然光

光是由光源中大量原子或分子发出的。普通光源中各个原子发出的光的波列不仅初相彼此不相关，而且光振动方向也是彼此不相关的，呈随机分布。在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向振动的光矢量都有。平均说来，光矢量具有轴对称而且均匀的分布，各方向光振动的振幅相同，各个振动之间没有固定的相联系，这种光称为自然光或非偏振光（见下图）。

我们设想把每个波列的光矢量都沿任意取定的x轴和y轴分解，由于各波列的光矢量的相和振动方向都是无规则分布的，将所有波列光矢量的x分量和y分量分别

叠加起来，得到的总光矢量的分量E

x 和E

y

之间没有固定的相关系，因而它们之间是不

相干的。同时E

x 和E

y

的振幅是相等的，即A

x

=A

y

。这样，我们可以把自然光分解为两

束等幅的、振动方向互相垂直的、不相干的线偏振光。这就是自然光的线偏振表示，

如下图（a）所示。分解的两束线偏振光具有相等的强度I

x =I

y

，又因自然光强度

I=I

x +I

y

所以每束线偏振光的强度是自然光强度的1/2，即

通常用图（b）的图示法表示自然光。图中用短线和点分别表示在纸面内和垂直于纸面的光振动，点和短线交替均匀画出，表示光矢量对称而均匀的分布。

（2）线偏振光

光矢量只沿一个固定的方向振动时，这种光称为线偏振光，又称为平面偏振光。光矢量的方向和光的传播方向所构成的平面称为振动面，如图（a）所示。线偏振光的振动面是固定不动的，图（b）所示是线偏振光的表示方法，图中短竖线表示光振动在纸面内，点表示光振动垂直于纸面。

（3）部分偏振光

这是介于线偏振光与自然光之间的一种偏振光，在垂直于这种光的传播方向的平面内，各方向的光振动都有，但它们的振幅不相等，如图（a）所示。这种部分偏振光用数目不等的点和短线表示。在图（b）中，上图表示在纸面内的光振动较强，下图表示垂直纸面的光振动较强。要注意，这种偏振光各方向的光矢量之间也没有固定的相的关系。

（4）圆偏振光和椭圆偏振光

这两种光的特点是在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量按一定频率旋转（左旋或右旋）。如果光矢量端点轨迹是一个圆，这种光叫圆偏振光（见图（a））。如果光矢量端点轨迹是一个椭圆，这种光叫椭圆偏振光（见图（b））。

2. 布儒斯特角

当光从折射率为n 1的介质（例如空气）入射到折射率为n 2的介质（例如玻璃）交

界面，而入射角又满足

1

2

B arctan

n n =θ 时，反射光即成完全偏振光，其振动面垂直于入射面。i B 称布儒斯特角，上式即布儒斯特定律。显然，θB 角的大小因相关物质折射率大小而异。若n 1表示的是空气折射率，（数值近似等于1）上式可写成

2B arctan n =θ

反射光

入射光

图 3-1

3.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（如下图），只有

相当于它的成份之一的E y （平行于光轴方向的矢量）能够通过，另一成份E x （=E cos θ）则被吸收。与此类似，若投射在检偏器A 上的线偏振光的振幅为E 0，则透过A 的振幅为

E 0 cos θ（这里θ是P 与A 偏振化方向之间的夹角）。由于光强与振幅的平方成正比，可知透射光强I 随θ而变化的关系为

θ20cos I I =

E y

这就是马吕斯定律。

4.波片

若使线偏振光垂直入射一透光面平行于光轴，厚度为d 的晶片，此光因晶片的各

向异性而分裂成遵从折射定律的寻常光（o 光）和不遵从折射定律的非常光（e 光）。因o 光和e 光

在晶体中这两个相互垂直的振动方向有不同的光速，分别称做快轴和慢轴。设入射光振幅为A ，振动方向与光轴夹角为θ，入射晶面后o 光和e 光振幅分别为A sin θ和

A cos θ,出射后相位差

d n n

e o )(20

-=

λπ

ϕ

式中λ0是光在真空中的波长，n o 和n e 分别是o 光和e 光的折射率。 这种能使相互垂直振动的平面偏振光产生一定相位差的晶片就叫做波片。

如果以平行于波片光轴方向为x 坐标，，垂直于光轴方向为y 坐标出射的o 光和e