偏振与双折射实验讲义(2019)
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圆偏振光。观测椭圆偏振光通过检偏器的光强。观察光学各向异性晶体中的双折射现象。
实验光源的偏振态鉴别（选做）
【实验步骤】
（一）透过两偏振器后的光强I与它们透光轴间夹角之间关系的测量
1.检查并调节激光光源，使其发出的光沿水平方向，然后将其固定（磁
力开关旋向“ON）。
2.如图4所示，将光电转换器放入光路，使其和光源同轴等高，确保光
自然光：在垂直于光的传播方向上等概率地包含有各个横向光振动，各光振动彼此独 立无固定的位相关联。
部分偏振光：介于自然光和线偏振光之间的一种偏振状态，即光的振动虽也是各个方 向都有，但不同方向的振幅大小不一样，而且各个振动的位相也彼此无关。
图1光的偏振态
双折射：一束光入射到光学各向异性的介质时，折射光往往有两束。其中一束光遵守 通常的e
束垂直射在转换器狭缝的中心（如何判断？），并将其固定。调节检流
计的“衰减”旋钮及激光器的“功率”旋钮，使检流计电流在120.0左
右。
3Βιβλιοθήκη Baidu如图5
所示，加入起偏器P1P1计读数最大。
4.力口入检偏器P2,如图6所示。调节同轴等高后固定，旋转P2,找到
消光位置（光强最小，这里应选取最小的量程，以保证准确找到消光位置），
光矢量垂直于光轴；e光光矢量平行于光轴。而o光和e光的传播方向不变，仍都与表面 垂直。但o光在晶体内的速度为vo,e光的为ve,即相应的折射率no、ne不同。设波片 的厚度为d,则两束光通过波片后就有位相差''，式中 为光波在真空中
的波长。3的称为二分之一波片（半
波片或 卫波片）；出2为四分之一波片（「1波片），
偏振与双折射实验讲义
实验：偏振与双折射
【实验目的】
1.观察与了解光在各向异性晶体中传播时产生的双折射现象和规律。
2.3.
掌握一些光的偏振态的鉴别方法和测试技术。
4.了解波片的性质。
【预备问题】
1.自然光、部分偏振光、线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光的定义。
2.如何用实验方法来区分自然光、圆偏振光、椭圆偏振光、部分偏振光、线偏振光？
通过C
之后的Ae,Ao只有
与P2通光面平行之分量Aee,Aoe才能通过P2,其中
Acijc
Aou=Acsin（ .）
Aee与Aoe有一相位差 丨，它包含了，讨波片产生的相位差2,
还包含坐标轴投影引起的位相差。Aee与Aoe合成后的光矢量A2为
A2其干涉光强
222T A2 Aee Aoe 2AeeAoecos
上面的k都是任意整数。不论半波片或4波片都是对一定波长而言的。
离开波片时合成光波的偏振性质，决定于及入射光的性质。
（三）偏振态不变的情形
（1）自然光或部分偏振光通过波片后仍为自然光或部分偏振光
（2）若入射光为线偏振光，其光矢量E平行光轴或垂直于光轴，则从波片出射的光仍
为线偏振光。
（四）二分之一波片I门波片）与偏振光
强I和特性还可通过实验进行测量和验证。下面首先推导椭圆偏振光经过P2后之合成光
强表示式：
如图2,设C与P1透光轴之夹角为，C与P2通光面夹角为，光经
过P1后，变为线偏振光，其光矢量的振幅为A，在波片入射面上将被分解
为e光和o光（均相对于C）。
Ao=Asin0
Ae=Acos0
Ae,Ao通过.-"l波片C后将产生一位相差，对.-"1波片
（二）基本规律
（1）起偏与检偏
将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏，起偏的装置称为起偏器，通常也叫偏振片。 本实验用到的是晶体起偏器。将偏振片用于检偏时称为检偏器。
按照马吕斯定律，强度为10的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为
【T0cos2e
式中e为入射光的偏振方向与检偏器透光轴之间的夹角。显然，当以光线传播方向
45Q900时，出射光为椭圆偏振光，时为圆偏振光。
（2）若入射光为圆偏振光，则出射光为线偏振光。
（3）若入射光为椭圆偏振光，则出射光一般仍为椭圆偏振光。特殊情况下可得到线偏 振光（请思考：什么情况下得到线偏振光？）
（六）椭圆偏振光的产生和光强I的实验测量
P1）、检偏器（P2）和波片C（,7波片）等组成的光学系统获得（图2）。其光
为轴转动检偏器时，透射光强度I将发生周期性变化。当e时，透射光强度最
大；当e时，透射光强度最小（消光状态）；当 ⑹e时，透射光
强度介于最大值和最小值之间。
因此，根据透射光强度变化的情况，可以区别光的不同偏振状态。
⑵波片
波片是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，其表面平行于光轴。
当一束单色平行自然光正入射到波片上时，光在晶体内部便分解为o光与e光。o光
（1）若入射光为线偏振光，且与波片光轴成角，则出射光仍为线偏振光，但与光
轴成 角。即线偏振光经片光矢量振动方向转过了角。
（2）若入射光为椭圆偏振光，则半波片既改变椭圆偏振光长（短）轴的取向，也改变 椭圆偏
振光（圆偏振光）的旋转方向。（五）四分之一波片（14波片）与偏振光
（1）若入射光为线偏振光，且透光轴与波片光轴成角，则当00，
3.如何获得椭圆偏振光和圆偏振光？
【实验原理】
（一）基本概念
光矢量：光是一种电磁波，是横波，相互垂直的振动矢量电场强度E和磁场强度H垂 直于波的传播方向，在光与物质相互作用过程中反应比较明显的是电矢量E,用来表征光
波的振动，简称为光矢量E。
线偏振光（平面偏振光）：光矢量的方向不变大小随位相变化，在垂直于光波传播方 向的平圆偏振光、椭圆偏振光：光矢量随时间作有规律的改变，光矢量的末端在垂直于传 播方向的平面上的轨迹是圆或者是椭圆。
光轴：在双折射晶体中有一特殊方向，当光沿着这个方向传播时，不发生双折射现象， 这个方向称为晶体的光轴。负晶体：o光折射率大于e光折射率，o光的传播速度小于e
光传播速度。反之为正晶体。冰洲石等为负晶体，石英等为正晶体。
o光和e光的吸收是不一样的，此特性称为二向色性。
偏振片：只允许光矢量在平行于某特定方向上的分量通过的光学器件。该方向称之偏 振片的透光轴。
A 2rcus2 c-is21
对于波片，•‘2,金?0,所以
2i A2
【实验仪器】
如图3所示，本实验的仪器设备包括冰洲石（方解石），半导体激光器，电波片,
波片，偏振片，光电转换器，光电流计等。
图3.1
仪器装置
图3.2
检流计面板
图3.3偏振片和波片上的刻度盘
【实验内容】
1.
2.
3.
4.
5.透过两偏振器后的光强I与它们透光轴间夹角的关系。验证冃波片产生的
实验光源的偏振态鉴别（选做）
【实验步骤】
（一）透过两偏振器后的光强I与它们透光轴间夹角之间关系的测量
1.检查并调节激光光源，使其发出的光沿水平方向，然后将其固定（磁
力开关旋向“ON）。
2.如图4所示，将光电转换器放入光路，使其和光源同轴等高，确保光
自然光：在垂直于光的传播方向上等概率地包含有各个横向光振动，各光振动彼此独 立无固定的位相关联。
部分偏振光：介于自然光和线偏振光之间的一种偏振状态，即光的振动虽也是各个方 向都有，但不同方向的振幅大小不一样，而且各个振动的位相也彼此无关。
图1光的偏振态
双折射：一束光入射到光学各向异性的介质时，折射光往往有两束。其中一束光遵守 通常的e
束垂直射在转换器狭缝的中心（如何判断？），并将其固定。调节检流
计的“衰减”旋钮及激光器的“功率”旋钮，使检流计电流在120.0左
右。
3Βιβλιοθήκη Baidu如图5
所示，加入起偏器P1P1计读数最大。
4.力口入检偏器P2,如图6所示。调节同轴等高后固定，旋转P2,找到
消光位置（光强最小，这里应选取最小的量程，以保证准确找到消光位置），
光矢量垂直于光轴；e光光矢量平行于光轴。而o光和e光的传播方向不变，仍都与表面 垂直。但o光在晶体内的速度为vo,e光的为ve,即相应的折射率no、ne不同。设波片 的厚度为d,则两束光通过波片后就有位相差''，式中 为光波在真空中
的波长。3的称为二分之一波片（半
波片或 卫波片）；出2为四分之一波片（「1波片），
偏振与双折射实验讲义
实验：偏振与双折射
【实验目的】
1.观察与了解光在各向异性晶体中传播时产生的双折射现象和规律。
2.3.
掌握一些光的偏振态的鉴别方法和测试技术。
4.了解波片的性质。
【预备问题】
1.自然光、部分偏振光、线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光的定义。
2.如何用实验方法来区分自然光、圆偏振光、椭圆偏振光、部分偏振光、线偏振光？
通过C
之后的Ae,Ao只有
与P2通光面平行之分量Aee,Aoe才能通过P2,其中
Acijc
Aou=Acsin（ .）
Aee与Aoe有一相位差 丨，它包含了，讨波片产生的相位差2,
还包含坐标轴投影引起的位相差。Aee与Aoe合成后的光矢量A2为
A2其干涉光强
222T A2 Aee Aoe 2AeeAoecos
上面的k都是任意整数。不论半波片或4波片都是对一定波长而言的。
离开波片时合成光波的偏振性质，决定于及入射光的性质。
（三）偏振态不变的情形
（1）自然光或部分偏振光通过波片后仍为自然光或部分偏振光
（2）若入射光为线偏振光，其光矢量E平行光轴或垂直于光轴，则从波片出射的光仍
为线偏振光。
（四）二分之一波片I门波片）与偏振光
强I和特性还可通过实验进行测量和验证。下面首先推导椭圆偏振光经过P2后之合成光
强表示式：
如图2,设C与P1透光轴之夹角为，C与P2通光面夹角为，光经
过P1后，变为线偏振光，其光矢量的振幅为A，在波片入射面上将被分解
为e光和o光（均相对于C）。
Ao=Asin0
Ae=Acos0
Ae,Ao通过.-"l波片C后将产生一位相差，对.-"1波片
（二）基本规律
（1）起偏与检偏
将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏，起偏的装置称为起偏器，通常也叫偏振片。 本实验用到的是晶体起偏器。将偏振片用于检偏时称为检偏器。
按照马吕斯定律，强度为10的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为
【T0cos2e
式中e为入射光的偏振方向与检偏器透光轴之间的夹角。显然，当以光线传播方向
45Q900时，出射光为椭圆偏振光，时为圆偏振光。
（2）若入射光为圆偏振光，则出射光为线偏振光。
（3）若入射光为椭圆偏振光，则出射光一般仍为椭圆偏振光。特殊情况下可得到线偏 振光（请思考：什么情况下得到线偏振光？）
（六）椭圆偏振光的产生和光强I的实验测量
P1）、检偏器（P2）和波片C（,7波片）等组成的光学系统获得（图2）。其光
为轴转动检偏器时，透射光强度I将发生周期性变化。当e时，透射光强度最
大；当e时，透射光强度最小（消光状态）；当 ⑹e时，透射光
强度介于最大值和最小值之间。
因此，根据透射光强度变化的情况，可以区别光的不同偏振状态。
⑵波片
波片是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，其表面平行于光轴。
当一束单色平行自然光正入射到波片上时，光在晶体内部便分解为o光与e光。o光
（1）若入射光为线偏振光，且与波片光轴成角，则出射光仍为线偏振光，但与光
轴成 角。即线偏振光经片光矢量振动方向转过了角。
（2）若入射光为椭圆偏振光，则半波片既改变椭圆偏振光长（短）轴的取向，也改变 椭圆偏
振光（圆偏振光）的旋转方向。（五）四分之一波片（14波片）与偏振光
（1）若入射光为线偏振光，且透光轴与波片光轴成角，则当00，
3.如何获得椭圆偏振光和圆偏振光？
【实验原理】
（一）基本概念
光矢量：光是一种电磁波，是横波，相互垂直的振动矢量电场强度E和磁场强度H垂 直于波的传播方向，在光与物质相互作用过程中反应比较明显的是电矢量E,用来表征光
波的振动，简称为光矢量E。
线偏振光（平面偏振光）：光矢量的方向不变大小随位相变化，在垂直于光波传播方 向的平圆偏振光、椭圆偏振光：光矢量随时间作有规律的改变，光矢量的末端在垂直于传 播方向的平面上的轨迹是圆或者是椭圆。
光轴：在双折射晶体中有一特殊方向，当光沿着这个方向传播时，不发生双折射现象， 这个方向称为晶体的光轴。负晶体：o光折射率大于e光折射率，o光的传播速度小于e
光传播速度。反之为正晶体。冰洲石等为负晶体，石英等为正晶体。
o光和e光的吸收是不一样的，此特性称为二向色性。
偏振片：只允许光矢量在平行于某特定方向上的分量通过的光学器件。该方向称之偏 振片的透光轴。
A 2rcus2 c-is21
对于波片，•‘2,金?0,所以
2i A2
【实验仪器】
如图3所示，本实验的仪器设备包括冰洲石（方解石），半导体激光器，电波片,
波片，偏振片，光电转换器，光电流计等。
图3.1
仪器装置
图3.2
检流计面板
图3.3偏振片和波片上的刻度盘
【实验内容】
1.
2.
3.
4.
5.透过两偏振器后的光强I与它们透光轴间夹角的关系。验证冃波片产生的