2017322112818421_光的偏振

光的偏振

一. 实验目的

1. 观察光的偏振现象，加深对光偏振基本规律和偏振器件的认识,验证马呂斯定律。

2. 了解产生和检验偏振光的基本方法,掌握椭圆偏振光、圆偏振光的产生与检测。

3. 观察掌握 1 / 2波片,1/4波片的光学特性,旋光效应及半导体激光的偏振特性。

二. 实验仪器

偏振片（两个）、旋光晶体、1/4波片、光具座、光电管、白色光屏、二维可调半导体激光器，激光功率指示计。

三. 实验原理

1. 偏振光的基本概念

光波是一种电磁波，它的电矢量E和磁矢量H相互垂直，并垂直于光的传播方向。用电矢量E代表光的振动方向，将电矢量E和光的传播方向所构成的平面称为光的振动面。在传播过程中，电矢量的振动方向始终在某一确定方向的光称为平面偏振光或线偏振光，如图a所示。振动面的取向和光波电矢量的大小随时间作有规律的变化，光波电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆时，称为椭圆偏振光或圆偏振光。没有一个方向的振动比其它方向更占优势。这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光，如图b所示。如图c所示称为部分偏振光. 光的偏振性质证实了光波是横波，即光的振动方向垂直于它的传播方向。

２. 利用偏振片起偏、检验、平面偏振光和马呂斯定律

当自然光射到偏振片上时，振动方向与偏振化方向垂直的光被衰减和吸收，振动方向与偏振化方向平行的光透过偏振片，从而获得线偏振光。

若在偏振片起偏器P

1后面再放一偏振片P

2

，P

2

就可以用作检验经P

1

后的光是

否为偏振光，即P

2起了检偏器的作用。当起偏器P

1

和检偏器的偏振方向有一夹

角θ，则通过检偏器P

2

的偏振光强度满足马呂斯定律：

I=I

cos2θ

当θ=0时，I=I

，光强最大；当θ=π/2时，I=0，出现消光现象；当θ为其它

值时，透射光强介于0～I

之间。

３. 1/4波片、圆偏振光和椭圆偏振光

双折射起偏

如图所示,某些单轴晶体（如方解石和石英等）具有双折射现象。当一束自然光射到这些晶体上时，在界面射入晶体内部的折射光常为传播方向不同的两束折射光线，其中一束折射光始终在入射面内其振动垂直于传播方向，遵守折射定律,为寻常光（或O光）；另一束折射光一般不在入射面内且不遵守折射定律，其振动在主平面内，称为非常光（或e光）。

研究发现，这类晶体存在这样一个方向，沿该方向传播的光不发生双折射，该方向称为光轴。

如图所示，一束平行的线偏振光垂直入射到一块厚度为d，表面平行于自身光轴的单轴晶片上时，光在晶体内分解为o光与e光，o光和e光沿同一方向前进，但传播速度不同，因而会产生光程差位相差，

光程差Δ=(n

o -n

e

)d ，相应的位相差为，d为晶片厚度。

式中，λ为光在真空中的波长，和分别为晶片对o光和e光的主折射率。。

经晶片射出后，o光和e光合成的振动随位相差的不同，就有不同的偏振方式。（在偏振技术中，常将这种能使互相垂直的光振动产生一定位相差的晶体片叫做波片）。

当光刚刚穿过晶体时，此两光的振动可分别表示如下：

式中A e= A cosα，Ao= A sinα，由两式消去t，得轨迹方程

光通过晶片后 o光和e光的合成光矢量在晶片出射界面上的矢端轨迹为

这是个一般的椭圆方程。

当改变厚度d 时，光程差Δ亦改变。

δ

δ2

2

2

2

2

sin

cos

2=

-

+

e

o

y

x

o

y

e

x

A

A

E

E

A

E

A

E

上式表明由晶片出射的光一般为椭圆偏振光，随位相差的不同表现为不同的椭圆形态，如图所示。适当选择晶片的厚度d，可使线偏振光通过晶片后出射光具有不同的偏振态。

(1)全波片，当晶片厚度d满足光程差Δ=kλ,时，这是直线方程，

故出射光为平面偏振光，与原入射光振动方向相同，满足此条件之晶片称为全波片。线偏振光经过全波片后，出射光仍为线偏振光。光通过全波片不发生振动状态的变化。

(2)1/2波片。当晶片厚度d满足光程差Δ=(2k+1)λ/2 (k=0,1,2,……),时，

该晶片称为1/2波片或半波片。线偏振光经过1/2波片后，出射光为

线偏振光，但振动面转过2α角。若α= 45°，则出射光的振动面与入射光的振动面垂直。

(3)1/4波片。光晶片厚度满足光程差Δ=(2k+1)λ/4 (k=0,1,2,……), 产生相位差时，

该晶片称为1/4波片。

线偏振光经波片后，出射光一般为椭圆偏振光，椭圆的两轴分别与晶体的主截面平行及垂直.由于o 光和e 光的振幅是α的函数，所以通过1/4 波片后的合成偏振状态也将随角度α变化.

当α=π/4时，出射光为圆偏振光(o 光,e 光分量的振幅相等).若，于是，

出射光为圆偏振光。

当α=0或π/2时，线偏振光不论经过何种波片后，出射偏振态不变。

当α = 0︒时，出射光为振动方向平行1/4波片光轴的平面偏振光。(只有平行于光轴的分量,不分解)

当α= π / 2 时，出射光为振动方向垂直于光轴的平面偏振光。(只有垂直于光轴的分量，不分解)

α≠0，π/4，π/2——当α 为其它值时，出射光为椭圆偏振光。(正椭圆)。 （1）若入射为线偏振光，则出射光一般为椭圆偏振光。 （2）若入射为圆偏振光，则出射光为线偏振光。

（3）若入射为椭圆偏振光，则出射光一般仍为椭圆偏振光。

用四分之一波片，从线偏振光可获得正椭圆或圆偏振光,也可以从正椭圆或圆偏振光获得线偏振光。因为合成正椭圆或圆偏振光的两个垂直分量已经有了相位差 π/2, 经 1/4 波片以后,又有±π/2 的相位差,所以出来的就是0 或 π 的相位差，是线偏振光。 4. 旋光现象

线偏振光通过某些物质（如石英、氯酸钠等晶体或糖溶液松油,葡萄糖液等），偏振光的振动面将以光的传播方向为轴旋转一定的角度,但还是线偏振光，这种现象称为旋光现象. 旋转的角度ϕ称为旋转角或旋光度。

旋光率: 表征旋光物质的旋光能力大小的量。用线偏振光通过单位厚度旋光物质后其偏振面旋转的角度表示。单位为度/mm 或度/cm,表示对某一特定波长,单位厚度的材料可

旋转的角度.

线偏振光的相角等于π，y 轴上的分量与x 轴的分量呈线性关系。 实验证明，线偏振光通过旋光性溶液后，其旋光度与溶液的化学浓度c 成正比，也与光所通过的液体层厚度Ｌ成正比，即ϕ =α c L .式中ϕ 的单位是°（度），c 的单位是g /cm3，Ｌ的单位是dm （10cm ）， α 表征了物质的旋光性质，称为旋光率. 若已知待测旋光性溶液的浓度c 和液层厚度Ｌ，测出旋光度ϕ 后，就

222A E E y x =+