一 偏振光的产生和检验

实验十一 偏振光的产生和检验

光的干涉和衍射实验证明了光的波动性质。本实验将进一步说明光是横波而不是纵波，即其E 和H 的振动方向是垂直于光的传播方向的。光的偏振性证明了光是横波，人们通过对光的偏振性质的研究，更深刻地认识了光的传播规律和光与物质的相互作用规律。目前偏振光的应用已遍及于工农业、医学、国防等部门。利用偏振光装置的各种精密仪器，已为科研、工程设计、生产技术的检验等，提供了极有价值的方法。

一、实验目的

1、观察光的偏振现象，加深对光波传播规律的认识。

2、掌握产生和检验偏振光的原理和方法。

二、实验原理

1、偏振光的概念

光的波动的形式在空间传播属于电磁波，它的电矢量E 与磁矢量H 相互垂直。E 和H 均垂直于光的传播方向，故光波是横波。

实验证明光效应主要由电场引起，所以电矢量E 的方向定为光的振动方向。 自然光源（如日光，各种照明灯等）发射的光是由构成这个光源的大量分子或原子发出的光波的合成。这些分子或原子的热运动和辐射是随机的，它们所发射的光振动，出现在各个方向的几率相等，这样的光叫做自然光。

自然光经过媒质的反射、折射或者吸收后，在某一方向上振动比另外方向上强，这种光称为部分偏振光。如果光振动始终被限制在某一确定的平面内，则称为平面偏振光，也称为线偏振光或完全偏振光。偏振光电矢量E 的端点在垂直于传播方向的平面内运动轨迹是一圆周的，称为圆偏振光，是一椭圆的则称为椭圆偏振光。

2、获得线偏振光的方法

自然光变成偏振光称作起偏，可以起偏的器件分为透射和反射2种形式。

(1) 反透射式起偏器

自然光在两种媒质的界面处反射和折射，当入射角b φ满足12tan /b n n φ=时，

反射光成为振动 方向垂直于入射面的线偏振光，这个规律称布儒斯特定律，b

φ

称为布儒斯特角或起偏角，而折射光为部分偏振光。

如果自然光以入射角b φ投射在多层的玻璃堆上，经过多次反射后，透射出的光也接近于线偏振光，其振动面平行于入射面。

(2)透射式起偏器

晶体起偏器：利用某些晶体的双折射现象可以获得较高质量的线偏振光，如尼科尔棱镜，这类偏光器件价格昂贵。

偏振片：一般用具有网状分子结构的高分子化合物——聚乙烯醇薄膜作为片基，将这种薄膜浸染具有强烈二向色性的碘，经过硼酸水溶液的还原稳定后，再将其单向拉伸4~5倍以上而制成。这种偏振片称H 偏振片。此外用另外方法还可制成K 偏振片、L 偏振片。

3、马吕斯定律

自然光通过偏振片变成光强为

0I ，振幅为A 的线偏振光，再垂直入射到另一块偏振片上，出射光强为：

20cos I I θ=

这就是马吕斯定律。θ为两偏振片透振方向之间的夹角。

4、波片的偏光作用

单轴晶体制成厚度为L ，表面平行于光轴的片,称波片。波片有正晶体或负晶体之分。

一束振幅为A 的线偏振光垂直入射在波片表面上，且振动方向与光轴夹角为θ，在晶体内分解成o 光和e 光，振幅分别是

0sin A A θ=，cos e A A θ=。经过波片后，二光产生位相差：

02()/o e n n L φπλ∆=-

式中, 0λ为光在真空中的波长；o n 、e n 为晶片对o 光和e 光的折射率。

因为波片能使o 光或e 光的位相推迟，又称为位相推迟器。

o 光和e 光振动方向相互垂直，频率相同，位相差恒定，由振动合成可得：

这是椭圆方程式，代表椭圆偏振光。

当2k φπ∆=（1,2,3...k =）及

o e A A =时，合成振动为圆偏振光。

三、主要仪器及耗材

1：白光源（GY-6A ） 8：偏振片

2：凸透镜（f′=150mm ） 9：X 轴旋转二维架（SZ-06）

3：二维调节架（SZ-07） 10：升降调节座（SZ-03）

4：可调狭缝（SZ-27） 11：升降调节座（SZ-03）

5：光学测角台（SZ-47） 12：二维平移底座（SZ-02）另需钠灯、氦 6：升降调节座（SZ-03） 氖激光器、1/4波片及架、冰洲石及转动 7：黑玻璃镜 架和扩束器

四、实验内容和步骤

图11-1 实验装置

(a)

（b ）

图11-2 实验示意图

1、测布儒斯特角，定偏振片光轴：按图11-1所示，使白光源灯丝位于透镜的焦平面上（此时二底座相距162mm ），近似平行光束通过狭缝，向光学台分度盘中心的黑玻璃镜入射，并在台面上显出指向圆心的光迹。此时转动分度盘，对任意入射角，利用偏振片和X 轴旋转二维架组成的检偏器检验反射光，转动0360，观察部分偏振光的强度变化。而当光束以布儒斯特角iB 入射时，反射的线偏振光可被检偏器消除（对n=1.51,00 57φ≈）。该入射角需反复仔细校准。因线偏振光的振动面垂直于入射面，按检偏器消光方位可以定出偏振片的易透射轴。

2、线偏振光分析：使钠光通过偏振片起偏振，用装在X 轴旋转二维架上（对准指标线）的偏振片在转动中检偏振，分析透过光强变化与角度的关系。

3、椭圆偏振光分析：使激光束通过扩束器、狭缝和黑镜产生线偏振光，再通过1/4波片之后，用装在X 轴旋转二维架上的偏振片在旋转中观察透射光强变化，是否有两明两暗位置（注意与上一项实验现象有何不同），在暗位置，检偏器的透振方向即椭圆的短轴方向。

4、圆偏振光分析：在透振轴正交的二偏振片之间加入1/4波片，旋转至透射光强恢复为零处，从该位置再转动45°，即可产生圆偏振光。此时若用检偏器转动检查，透射光强是不变的。3和4应使用白屏观察。

5、利用冰洲石及可转动支架，可以观察和分析该晶体的双折射现象。让自然光（例如钠光）通过支架上的一个小孔入射冰洲石晶体，用眼睛在适当距离能够看到光束一分为二；转动支架，又能判别寻常光（o光）和非寻常光（e光）。进而用检偏器确定o光和e光偏振方向的关系。

五、数据处理与分析

1、分析实验结果，讨论误差形成原因；

2、自拟表格记录实验数据。

六、实验注意事项

1、实验中各元件不能用手摸，实验完毕后按规定位置放置好。

2、不要让激光束直接照射或反射到人眼内。

七、思考题

1、描述波片的主要参数是什么?如何区分偏振片和波片?无其它元件，如何大致判断偏振片的透振方向？

2、实验时，各元件应如何正确放置？为什么？

3、偏振光的获得方法有哪几种？

4、波片的厚度与光源的波长什么关系？

5、通过起偏和检偏的观测，你应当怎样判别自然光和偏振光？

6、什么是马吕斯定律？本实验如何验证此定律？

7、如何区别部分偏振光和椭圆偏振光？