北邮大物实验论文 光的偏振的探究

光的偏振的探究

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（北京邮电大学，北京市100876）

摘要：本文说明了光的偏振的基本规律和实验中的现象，以及椭圆偏振光、圆偏振光的产生方法，并叙述了波片的作用原理和起偏振、检偏振的方法。

关键词：光的偏振；偏振片；波片；马吕斯定律；光强

中图分类号：O436.3 文献标识码：A

1808年马吕斯（E.L.Malus）发现了光的偏振现象后，人们进一步认识了光的本性。通过光的偏振现象的研究，人们又对光的传播（如反射、折射、吸收和散射等）的规律有了新的认识。光的偏振现象在光学计量、晶体性质和实验应力分析、光学信息处理等方面有着广泛的应用。1

1 实验原理

1.1 自然光与偏振光

在光的传播过程中，光矢量的振动方向保持在某一确定方向的光称为线偏振光；若光矢量随时间作有规律的变化，光矢量的末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆，则分别称为椭圆偏振光或圆偏振光。

线偏振光、椭圆偏振光或圆偏振光都可以分解成两个振动方向相互垂直并且具有相同的传播方向和频率以及应对有确定相位关系的线偏振光。

在客观上极端而微观上足够长时间内，各个方向的光矢量的时间平均值相等，对外不成线偏振性，这种光称为自然光。

自然光可以看成由两个振幅相等、振动

实验日期：2013.12.17

作者简介：刘丽（1994），女，学生，XXX@ 方向相互垂直的没有固定相位关系的线偏振光组成的，其光强各占自然光总光强的一半。

1.2 获得和检验偏振光的常用方法

1.2.1偏振片和马吕斯定律

在透明塑料薄膜上涂覆一层二向色性晶体，然后拉伸薄膜，使二色向性晶体沿拉伸方向整齐排列，把薄膜夹在两片透明塑料片或玻璃片之间便成为偏振片。每个偏振片都有一个特有的偏振化方向（光轴），即当光振化方向平行的光波通过，而光矢量的方向与偏振化方向垂直的光波被吸收。因此，自然光通过偏振片后，就成为光矢量的振动方向与偏振化方向平行的偏振光。

若在偏振片后面再放一偏振片，前面的检偏器为起偏器，后面的偏振片起了检片器的作用。当起偏器与检偏器的偏振化方向（透光轴）之间的夹角为φ时，则通过检偏器的偏振光强I满足马吕斯定律：

I=I0cos2φ（1）

式中，I0为通过起偏器的透射光强。

1.2.2 波片与圆偏振光和椭圆偏振光

当一束光射入各向异性的晶体时会产生双折射现象，其中一束折射光称为寻常光或o光，另一束折射光成为非常光或e光。

而沿晶体的光轴方向传播的光不发生双折射。当振幅为A，振动方向与光轴夹角为θ的线偏振光垂直入射到厚度为d、表面平行于自身光轴的各向异性晶体片上后，分解为振动方向互相垂直的、沿相同方向传播的e 光和o光，则有

A e=Acosθ

A o=Asinθ

且o光和e光之间因传播速率不同而产生光程差

ΔL=（n o-n e）d

相位差为

Δψ=d0(n o-n e)2π/λ

式中，λ为光在真空中的波长，n o和n e分别为晶体对o光和e光的折射率.

能使互相垂直的光振动产生一定的相位差的晶体片被称作波片。最常用的是1/4波片。对于波长为λ的单色光，凡是厚度满足能使o光和e光之间产生ΔL=±1/4，或其奇数倍的光程差，即Δψ=±π/2，或其奇数倍的相位差的波片，称为1/4波片，其作用是使光的偏振态发生改变。

波片的厚度能使o光和e光之间产生ΔL=±λ/2，或其奇数倍的光程差，即Δψ=±π，或其奇数倍的相位差的波片，称为半波片或1/2波片；波片的厚度能使o光和e 光之间产生ΔL=±λ，或其奇数倍的光程差，即Δψ=±2π，或其整数倍的相位差的波片，称为全波片。

2 实验内容

2.1 计算偏振度

观察半导体激光通过偏振片的光强变化规律，计算其偏振度（Degree of Polarization）:

P=(I max-I min)/(I max+I min) （2）

2.2 验证马吕斯定律

观测线偏振光的光强变化规律，验证马吕斯定律，在直角坐标系中做相应的光强分布图线；

2.3 不同偏振状态的偏振光相对光强分布

观测不同偏振状态的偏振光的光强分

布规律，作极坐标的相对光强分布曲线图。

3 实验数据处理与讨论

3.1 计算偏振度，分析激光的偏振特性

半导体激光光强I随检偏器转过不同角度呈现周期性变化规律，即从光强最大时对应的检偏器角度开始旋转检偏器，光强逐渐变小，经过约90°的角度，光强减到最小，继续旋转检偏器，光强又开始增大，再经过约90°的角度，光强又增到最大。

实验中测得的最大光强为2.45mW，此时对应的检偏器角度为79.5°，最小光强为0.02mW，此时对应的检偏器角度为170.5°。

由公式（2）计算可得，其偏振度为

0.9839.

由于实验中使用的激光偏振度约为1，可判断其为线偏振光。

3.2 验证马吕斯定律

下表为线偏振光光强I与起偏器与检偏器的夹角ψ的变化关系。

表一光强I与cos2Ψ的关系

Ψ（°）光强I（mW）cos2Ψ

90 0.02 0.0000

80 0.08 0.0302

70 0.27 0.1170

60 0.58 0.2500

50 0.94 0.4132

40 1.35 0.5868

30 1.72 0.7500

20 2.01 0.8830

10 2.20 0.9698

0 2.24 1.000

下图为线偏振光光强I与cos2Ψ的关系图。

图一光强I—cos2Ψ关系图

由图可以看出I正比于cos2Ψ，且直线斜率约等于通过起偏器的透射光强2.45mW，符合马吕斯定律，即公式（1）。

3.3 偏振光的光强分布规律

观察不同偏振光的光强变化：在两正交透振方向的偏振片中间加入波片，波片从消光位置转过一定的角度ψ（0°，25°，

45°）。观察并记录检偏器转动一周时，光强大小的变化。

下表为不同偏振光的光强变化。

表二不同偏振光的光强

波片的角度ψ

（°）

0°20°45°

检偏器角度φ

（°）

光功率I（mW）

0 0.005 0.360 0.750

10 0.035 0.242 0.764 20 0.158 0.196 0.772 30 0.345 0.218 0.784 40 0.586 0.320 0.791 50 0.838 0.474 0.779 60 1.147 0.703 0.812 70 1.368 0.928 0.807 80 1.477 1.114 0.779 90 1.506 1.268 0.748 100 1.475 1.400 0.734 110 1.378 1.442 0.732 120 1.204 1.457 0.732 130 0.955 1.345 0.728 140 0.689 1.187 0.731 150 0.432 0.982 0.733 160 0.214 0.763 0.739 170 0.070 0.550 0.747 180 0.007 0.367 0.757 190 0.032 0.241 0.742 200 0.151 0.197 0.770 210 0.347 0.228 0.785 220 0.595 0.327 0.804