大学物理实验 光的偏振

实验27 光的偏振

一、实验目的

1、观察光的偏振现象，加深对光的偏振的理解。

2、了解偏振光的产生及其检验方法。

3、观测布儒斯特角，测定玻璃折射率。

4、观测椭圆偏振光与圆偏振光。

5、了解1/2波片和1/4波片的用途。

二、实验原理

1、光的偏振状态

光是电磁波，它是横波。通常用电矢量E表示光波的振动矢量。

(1)自然光其电矢量在垂直于传播方向的平面内任意取向，各个方向的取向概率相等，所以在相当长的时间里（10-5秒已足够了），各取向上电矢量的时间平均值是相等的，这样的光称为自然光，如图27-l所示。

(2)平面偏振光电矢量只限于某一确定方向的光，因其电矢量和光线构成一个平面而称其为平面偏振光。如果迎着光线看，电矢量末端的轨迹为一直线，所以平面偏振光也称为线偏振光，如图27-2所示。

(3)部分偏振光电矢量在某一确定方向上较强，而在和它正交的方向上较弱，这种光称为部分偏振光，如图27-3所示。部分偏振光可以看成是线偏振光和自然光的混合。

(4)椭圆偏振光迎着光线看，如果电矢量末端的轨迹为一椭圆，这样的光称为椭圆偏振光。椭圆偏振光可以由两个电矢量互相垂直的、有恒定相位差的线偏振光合成得到。

(5)圆偏振光迎着光线看，如果电矢量末端的轨迹为一个圆，则这样的光称为圆偏振光。圆偏振光可视为长、短轴相等的椭圆偏振光。

图27-4 椭圆偏振光

2、布儒斯特定律

反射光的偏振与布儒斯特定律

如图27-5所示，光在两介质（如空气和玻璃片等）界面上，反射光和折射光（透射光）都是部分偏振光。当反射光线与折射光线的夹角恰为90°时，反射光为线偏振光，其电矢量振动方向垂直于入射光线与界面法线所决定的平面（入射面）。此时的透射光中包含平行于入射面的偏振光的全部以及垂直于入射面的偏振光的其余部分，所以透射光仍为部分偏振光。由折射定律很容易导出此时的入射角

α

满足关系

1

2

tan n n =

α (27-1)

(27-1)式称为布儒斯特定律，入射角

α

称为布儒斯特角，或称为起偏角。若光从空气入射到玻璃（n 2约为1.5），起偏角约56°。

3、偏振片、起偏和检偏、马吕斯定律

(1)由二向色性晶体的选择吸收所产生的偏振

自然光

偏振光

偏振片

P 1P 2

I 0

起偏器

检偏器

自然光

I '

图a 偏振片起偏 图b 起偏和检偏

图27-6 偏振片

有些晶体（如电气石）、长链分子晶体（如高碘硫酸奎宁），对两个相互垂直振动的电矢量具有不同的吸收本领，这种选择吸收性称为二向色性。在两平板玻璃间，夹一层二向色性很强的物质就制成了偏振片。自然光通过偏振片时，一个方向的电矢量几乎完全通过（该方向称为偏振片的偏振化方向），而与偏振化方向垂直的电矢量则几乎被完全吸收，因此透射光就成为线偏振光。根据这一特性，偏振片既可用来产生偏振光（起偏），也可用于检验光的偏振状态（检偏）。 (2)马吕斯定律

用强度为I 0的线偏振光入射，透过偏振片的光强为I ，则有如下关系

θ

20cos I I = (27-2)

(27-2)式称为马吕斯定律。

θ

是入射光的E 矢量振动方向和检偏器偏振化方向之间的夹角。以入射光线为轴转动偏振片，如果透射光强

I

有变化，且转动到某位置时

I

＝0，则表明入射

光为线偏振光，此时θ

＝90°。 4、波片

(1)两个互相垂直的、同频率的简谐振动的合成

设有两各互相垂直且同频率的简谐振动，它们的运动方程分别为

)cos()

cos(2211ϕωϕω+=+=t A y t A x (27-3)

合运动是这两个分运动之和，消去参数t ，得到合运动矢量末端运动轨迹方程为

)(sin )cos(2122

12212

2

2212ϕϕϕϕ-=--+A A xy A y A x (27-4)

上式表明，一般情况下，合振动矢量末端运动轨迹是椭圆，该椭圆在2122A A ⨯的矩形范围内。如果(27-3)式表示的是两线偏振光，则叠加后一般成为椭圆偏振光。下面讨论相位

差

12ϕϕϕ-=∆为几种特殊值的情况。

①当πϕk 2=∆（k =0, ±1, ±2, …）时，(27-4)式变为

2

1A y A x = (27-5)

合振动矢量末端运动轨迹是上述矩形的对角线，与y 轴的夹角为

α

。这就是说，相互垂直的、同相位的两线偏振光合成后仍为线偏振光，但E 振动有新的取向。

②当

πϕ)12(+=∆k （k =0, ±1, ±2, …）时，(27-4)式变为

2

1A y A x -= (27-6) (27-6)式表明，相互垂直的、相位相反的两线偏振光合成后也是线偏振光，E 振动方向与y 轴的夹角也是

α

，但在y 轴的另一侧。

③当

2

)

12(πϕ+=∆k （

k

=0, ±1, ±2, …）时，(27-4)式变为

122

2

212=+A y A x (27-7)

此时，合振动矢量末端运动轨迹是正立在上述矩形内的椭圆。即相互垂直的、相位差是2/π的两线偏振光合成为椭圆偏振光，椭圆的长半轴和短半轴分别等于两线偏振光的振幅。

④ 根据情况③，且A 1=A 2=A ，则(27-4)式变为

222A y x =+ (27-8)

即振幅相等的、相互垂直的、相位差是2

/π的两线偏振光合成为圆偏振光。

(2)双折射晶体

光轴

e 光o 光

图27-7 双折射

一束自然光在入射到某些各向异性晶体上时，能够被分成振动方向相互垂直的两束线偏振光，分别称为e 光和o 光。它们以不同的速度、沿不同的方向在晶体内传播，如图27-7所示。这

种现象称为双折射，这些晶体称为双折射晶体，如方解石、石英等。方解石

n n e <，称“负晶体”，石英

n n e >称“正晶体”。在双折射晶体内有一个被称为光轴的

特殊方向。光线在晶体内沿光轴传播时，不发生双折射；平行于光轴传播时，e 光和o 光沿同一方向传播不再分离，但传播速度仍是不同。

把双折射晶体沿光轴切割并磨制成平行平板，这就是波片。一束线偏振光垂直入射到波片表面，被分解成e 光和o 光。e 光的E 矢量振动方向平行于光轴，o 光的E 矢量振动方向垂直于光轴，入射时它们之间的光程差为零，相位差0=∆ϕ。因为e 光和o 光传播速度不同，当从波片的第二表面出射时，它们之间就有了光程差，相位差ϕ∆也不再为零。在选定了晶

体之后，对于某一波长的单色光，

ϕ∆只取决于波片的厚度,即

()L n n e o -=

∆λ

π

ϕ2 （27-9） 式中的

λ

是单色光波长，

o n 和e n 是o 光和e 光的折射率，L 为晶片厚度。

由于o 光、e 光的振动方向相互垂直，取e 光轴为x 方向，沿x 轴、y 轴的光矢量分别为E x 和Ey ，则有

ϕϕ∆=∆-+2

2

222

sin cos 2o e y x o

y e x A A E E A E A E （27-10）

因此，根据（27-10）式，就有如下推论：

①当

πϕk 2=∆时，为线偏振光；

②当()πϕ12+=∆k 时，为线偏振光； ③当πϕ⎪⎭

⎫ ⎝⎛

+=∆21k 时，为正椭圆偏振光；