7讲义(偏振光)

偏振光的特性研究一、实验目的1、观察光的偏振现象，加深对光偏振基本规律的认识。

2、熟悉常用的起偏振和检偏振的方法。

3、了解各种波片的作用原理、 二、实验仪器三、实验原理 1、偏振光的基本概念光是电磁波，它的电矢量E 和磁矢量H 相互垂直，且均垂直于光的传播方向C ，通常用电矢量E 代表光的振动方向，并将电矢量E 和传播方向C 构成的平面称为振动面。

在传播过程中，电矢量振动方向始终在某一确定的振动面的光称为平面偏振光或线偏振光。

光源发出的光是有大量的原子或分子辐射构成的。

由于大量原子或分子的热运动和辐射的随机性，它们所发射的光的振动面，出现在各个方向的几率是相同的。

故这种光源发射的光对外不显示偏振的性质，称为自然光。

在发光过程中，有些光振动面在某个特定的方向上出现的几率大于其它方向，即在较长的时间内电矢量在某个方向是较强，这种光称为部分偏振光，还有一些光其振动面取向和电矢量的大小随时间作有规律的变化，而电矢量末端在垂直于传播方向的平面上轨迹呈椭圆或圆。

这种光称为椭圆偏振光或圆偏振光。

2、获得偏振光的常用方法将非偏振光变成偏振光的过程成为起偏，起偏装置成为起偏器。

常用的起偏装置主要有： （1）反射起偏（或透射起偏器）当自然光在两种媒质的界面反射时，反射光和折射光都将成为部分偏振光。

当入射角达到某一特定值b ϕ时，反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于入射面（见图1）而角b ϕ就是布儒斯特角，也称起偏角，由布儒斯特定律得21tan b n n ϕ=图2He —Ne 激光器 （波长632.8nm ） 偏振片 （起偏器） 偏振片 （检偏器）白屏波片 （4/λ、2/λ）图1例如：当光由空气射向 1.54n =的玻璃板时，57b ϕ=度。

若光以起偏角b ϕ射到多层平行玻璃片上，经过多次反射最后透射出来的光也就接近于线偏振光，其振动面平行于入射面。

由多层玻璃片组成的这种透射起偏器又称玻璃片堆。

（2）晶体起偏利用某些晶体的双折射现象来获得线偏振光，如尼克尔棱镜等。

（3）偏振片（分子型薄膜偏振片）聚乙烯醇胶膜内含有刷状结构的炼状分子。

在胶膜被拉伸时，这些炼状分子被拉直并平行排列在拉伸方向上，拉伸过的胶膜只允许振动取向平行于分子排列方向（此方向称为偏振片的偏振轴）的光通过，利用它可获得线偏振光。

偏振片是一种常用的“起偏”元件，利用它可以获得截面较大的偏振光束（它就是本实验使用的元件）。

3、偏振光的检测鉴别光的偏振状态的过程成为检偏，它所用的装置称为检偏器。

实际上，起偏器和检偏器是通用的。

用于起偏的偏振片称为起偏器，把它用于检偏就成为检偏器了。

按照马吕斯定律，强的为0I 的线偏振光通过检偏器后，透射光强的为：20cos I I θ=式中θ为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角。

显然，当光线以传播方向为转轴转动检偏器时，透射光强度I 将发生周期性的变化。

当0θ=度时，透射光强的最大；当90θ=度时，透射光强度最小（消失状态）；当090θ<<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情况，可以区别光的不同偏振态。

4、偏振光通过波晶片的情形 （1）波晶片波晶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晶片上时，光在晶体内部并分解O 光与e 光。

O 光电矢量垂直光轴于；e 光电矢量平行与光轴。

而O 光和e 光的传播方向不变，仍都与表面垂直。

但O 光在晶体里的速度为Vo ，e 光的为Ve 即相应的折射率no 、ne 不同。

设晶片的厚度为l ，则两束光通过晶体后就有相位差2()o e n n l πσλ=-式中λ为光波在真空中的波长。

2k σπ=的晶片称为全波片；2k σππ=+为半波片（2λ波片）；22k πσπ=±为波片4λ，上面k 都是任意整数。

不论全波片，半波片或4λ波片都是对一定波长而言的。

以下直角坐标系的选择，是以e 光振动方向为横轴，o 光振动方向为纵轴。

沿任意方向振动的光，正入射到波晶片的表面，其振动并按此坐标系分解为e 分量和o 分量。

2、光束通过波片后偏振态的改变平行光垂直入射到波晶片后，分解e 分量和o 分量，透过晶片，二者将产生附加位相差σ，离开晶片时合成光的偏振性质，决定于σ及入射光的性质。

（1）偏振态不变的情形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，引入恒定的位相差σ，其结果还是无规则的。

若入射光线为线偏振光，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，出射光线仍然为原来的线偏振光。

因为这时只有一个分量，谈不上振动的合成和偏振态的改变。

除了上述两种情况外，偏振光通过波晶片，一般其偏振状态是要改变的。

（2）2λ波片与偏振光 若入射光线为线偏振光，在的前面分解为cos Ee Ae wt =cos()Eo Ao wt ε=+ 0ε=或π若0=ε，表明入射光线的电矢量在一三象限，若πε=，表明入射光线的电矢量在二四象限。

出射光表示为2cos e Ee Ae wt n l πλ⎛⎫=- ⎪⎝⎭2cos o Eo Ao wt n l πελ⎛⎫=+- ⎪⎝⎭0ε=或π两波的相对位相差2()o e n n l πεεσεπλ∆=--=-=-若0∆=，表明出射光线的电矢量在一三象限，若π∆=，表明出射光线的电矢量在二四象限。

入射光线为椭圆偏振光cos Ee Ae wt =cos()Eo Ao wt ε=+ (,0)επ∈-或(0,)επ∈若(,0)επ∈-，表明入射光线为左旋偏振光，若(0,)επ∈，表明入射光线为右旋偏振光。

出射光相位差就变为2()o e n n l πεεσεπλ∆=--=-=-(0,)π∆∈或(,0)π∆∈-可见出射光也是椭圆偏振光，值得注意的是改变了电矢量在空间的旋转方向，即入射光是左旋偏振光，出射光则是右旋偏振光。

（3）4/λ波片与偏振光若入射光线为线偏振光，在的前面分解为cos Ee Ae wt =cos()Eo Ao wt ε=+ 0ε=或π若0=ε，表明入射光线的电矢量在一三象限，若πε=，表明入射光线的电矢量在二四象限。

出射光表示为2cos e Ee Ae wt n l πλ⎛⎫=- ⎪⎝⎭2cos o Eo Ao wt n l πελ⎛⎫=+- ⎪⎝⎭0ε=或π两波的相对位相差2)(2πεσελπε-=-=--=∆l n n e o由此可以看出2π-=∆或2π=∆，即出射光为左旋椭圆偏振光或右旋椭圆偏振光。

入射光线为椭圆偏振光cos Ee Ae wt =cos()Eo Ao wt ε=+ (,0)επ∈-或(0,)επ∈若(,0)επ∈-，表明入射光线为左旋偏振光，若(0,)επ∈，表明入射光线为右旋偏振光。

出射光相位差就变为2)(2πεσελπε-=-=--=∆l n n e o若使得2πε=（可以通过调节波晶片的角度），可使出射光为偏振光。

五、实验内容及步骤1、定偏振片光轴，把所有器件按图1的顺序摆放在光具座上，调制共轴。

旋转第二个偏振片，使白屏上看到的光点完全消光，这时起偏器的偏振轴与检偏器的偏振轴相互垂直。

2、考察平面偏振光通过波长片时的现象（1）在两块偏振片之间插入2/λ波长片，把X 轴旋转二维架转动360度，能看到几次消光？解释这一现象。

（2）将2/λ波长片转动任意角度，这时消光现象被破坏。

把检偏器转动360度，观察到什么现象？由此说明通过2/λ波长片后，光变为怎样的偏振态？（3）仍使起偏器和检偏器处于正交（即处于消光现象时），插入2/λ波长片，使消光，再转15度，破坏其消光。

转动检偏器至消光位置，并记录检偏器所转动的角度。

（4）继续将2/λ波长片转15度（即转动的总角度为30度），记录检偏器达到消光所转动的总角度。

依次使波长总转角为45度，60度，75度，90度，记录检偏器消光时所转动的总角度。

3、用4/λ波长片产生圆偏振光和椭圆偏振光（1）按图1使与起偏器和检偏器正交，用4/λ波长片代替2/λ波长片，转动波片使消光。

（2）再将4/λ波片转动15度，然后将检偏器转动360度，观察到什么现象？你认为这时从1/4波片出来的光的偏振状态时怎样的？（3）依次将转动总角度为30度，45度，60度，75度，90度，每次将检偏器转动，记录所观察到的现象。

六、数据记录1、考察平面偏振光通过2/λ波长片时的现象λ波长片产生圆偏振光和椭圆偏振光2、用4/七、结果分析1、从表一中的实验结果得出什么规律？2、从表二中的实验结果得出什么规律？。