实验十二 偏振现像的观察与分析

实验十二偏振现像的观察与分析

光是一种电磁波，其电矢量的振动方向垂直于传播方向，是横波。由于一般光源发光机制的无序性，其光波的电矢量的分布（方向和大小）对传播方向来说是对称的，称为自然光。由于某种原因，使光线的电矢量分布对其传播方向不再有对称时，我们称这种光线为偏振光。对偏振现象的研究在光学发展史中有很重要的地位，光的偏振使人们对光的传播（反射、折射、吸收和散射）规律有了新的认识，并在光学计量、晶体性质研究和实验应力分析等技术部门有广泛的应用。

一、实验目的

1、观察光的偏振现象，加深对偏振光理论知识的理解。

2、了解产生和检验偏振光的原理和方法。

二、实验原理

1．偏振光的基本概念

光是一种电磁波，由于电磁波对物质的作用主要是电场，故在光学中把电场强度E称为光矢量。在垂直于光波传播方向的平面内，光矢量可能有不同的振动方向，通常把光矢量保持在固定平面上振动，这种振动状态称为平面振动态，此平面就称为振动面，如图1。此时光矢量在垂直于传播方向平面上的投影为一条直线，故又称为线偏振态。若光矢量绕着传播方向旋转，其端点描绘的轨道为一个圆，这种偏振态称为圆偏振态。如光矢量端点旋转的轨迹为一椭圆，就成为椭圆偏振态，如图2。普通光源发出的光一般是自然光，自然光不能直接显示出偏振现象。但自然光可以看成是两个振幅相同，振动相互垂直的非相干平面偏振光的叠加。在自然光与平面偏振光之间有一种部分偏振光，可以看作是一个平面偏振光与一个自然光混合而成的。其中的平面偏振光的振动方向就是这个部分偏振光的振幅最大方向。

2．偏振片

虽然普通光源发出自然光，但在自然界中存在着各种偏振光，目前广泛使用的偏振光

器件是人造偏振片，它利用二向色性获得偏振光（有些各向同性介质，在某种作用下会呈现各向异性，能强烈吸收入射光矢量在某方向上的分量，而通过其垂直分量，从而使入射的自然光变为偏振光，介质的这种性质称为二向色性）。

偏振器件既可以用来使自然光变为平面偏振光——起偏，也可以用来鉴别线偏振光、自然光和部分偏振光——检偏。用作起偏的偏振片叫做起偏器，用作检偏的偏振器件叫做检偏器。实际上，起偏器和检偏器是通用的，常用的起偏器主要有：

1、反射（或透射）式起偏器

如图3，当自然光在两种媒质的界面上反射和折射时，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，b ϕ是布儒斯特角，也称为起偏振角，由布儒斯特定律得

21/b tg n n ϕ= (1)

例如，当光由空气射向n =1.54的玻璃板时，b ϕ=57度

若入射光以起偏振角b ϕ入射到多层平行玻璃片上，经过多次反射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振器又称为玻璃片堆。如图4。

图3 图4

2、晶体起偏器

晶体起偏器常见的有格兰棱镜、尼科尔棱镜

等。晶体起偏器是利用晶体的双折射、且光的折

射角与光振动方向有关的原理，改变振动方向互

相垂直的两束线偏振光的传播方向，从而获得两

束分开的线偏振光，如图5所示。

3.偏振光的检测

鉴别光偏振状态的过程称为检偏，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，用于产生偏振光的偏振片称为起偏振器，用于鉴别偏振态时就成为检偏器。

图5 格兰棱镜

按照马吕斯定律，强度为I 0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为

20cos I I θ= (2)

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，当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度I 将发生周期性变化。当θ=0度时，透射光强度最大；当θ=90度时，透射光强度最小；当0度<θ<90度时，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。

4. 偏振光通过波晶片时的情形

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，光在晶体内部便分解为o 光与e 光。o 光电矢量垂直与光轴;e 光电矢量平行于光轴。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0v ,e 光的为e v 即相应的折射率0n 、e n 不同。

设晶片的厚度为l ，则两束光通过晶体后位相差为：

02()e n n l π

σλ=- (3)

式中λ为光波在真空中的波长。当2k σπ=时，λe n n k l -=

0，我们把这种波晶片称为全波片；当2k σππ=+时，2

)12(0λe n n k l -+=，这种波晶片称为半波片（λ/2波片）；当22k π

σπ=±时，0(41)4

e k l n n λ+=-，为四分之一波片（λ/4波片），上面的k 都是任意整数。从以上结论可以得出，不论全波片，半波片或λ/4片都是对一定波长而言。

2、光束通过波片后偏振态的变化

平行光垂直入射到波晶片后，分解为e 分量和o 分量，透过晶片，二者间产生一附加位相差σ。离开晶片时合成光波的偏振性质，决定于σ及入射光的性质。

（1）偏振态不变的情形

（a ）自然光通过波晶片，仍为自然光。

（b ）若入射光为线偏振光，其电矢量E 平行e 轴（或o 轴），则任何波长片对它都不

起作用，出射光仍为原来的线偏振光。

除上述二情形外，偏振光通过波晶片，一般其偏振情况是要改变的。

（2）λ/2片与偏振光

（a ）若入射光为线偏振光，在λ/2片的前面（入射处）上分解为

cos e e E A t ω=

cos()o o E A t ωε=+ ε=0或π (4)

出射光表示为 2cos()e e e E A t n l π

ωλ

=- 2cos()o o o E A t n l πωελ=+-

(5)

讨论二波的相对位相差，上式可写为

cos e e E A t ω= )cos(σεω-+=t A E o o l n n e o )(2-=λπ

σ (6)

出射光二正交分量的相对位相差由σε-决定。现在0εσππ-=-=-和0εσππ-=-=。这说明出射光也是线偏振光，但振动方向与入射光的不同。如入射光与晶片光轴成θ角，则出射光与光轴成-θ角。即线偏振光经λ/2片电矢量振动方向转过了2θ角。

（b ）若入射光为椭圆偏振光，作类似的分析可知，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。

（3）λ/4片与偏振光

（a ）入射光为线偏振光

cos e e E A t ω=

cos()o o E A t ωε=+ ε=0或π (7)

则出射光为

cos e e E A t ω=

cos()2o o E A t π

ωεσσ=+-=±， (8) 上式为椭圆偏振光。

2πεσ-=+对应于右旋，2πεσ-=-对应于左旋。当e o A A =时，

出射光为圆偏振光。