实验5光的偏振实验实验

光的偏振实验

实

验

说

明

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北京方式科技有限责任公司

光的干涉和衍射现象表明光是一种波动,但这些现象还不能告诉我们光是纵波还是横波，光的偏振现象清楚的显示了光的横波性。历史上，早在光的电磁理论建立以前，在杨氏双缝实验成功以后不多年，马吕斯（E.L.Malus ）于1809年就在实验上发现了光的偏振现象。

实验目的

1．验证马吕斯定律；

2．产生和观察光的偏振状态；

3．了解产生与检验偏振光的元件和仪器； 4．掌握产生与检验偏振光的条件和方法。

实验原理

光波是一种电磁波，电磁波是横波，光波中的电矢量与波的传播方向垂直。光的偏振现象清楚的显示了光的横波性。光波的电矢量E 和磁矢量H 相互垂直，且都垂直于光的传播方向c （图1）。通常用电矢量E 代表光的振动方向，并将电矢量E 和光的传播方向c 所构成的平面称为光振动面。

我们知道光有五种偏振状态，即线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光、自然光和部分偏振光。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（图2a ）。光源发射的光是由大量分子或原子辐射构成的。单个原子或分子辐射的光是偏振

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。一般说，在10-6

秒内各个方向电矢量的时间平均值相等，故这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光（图2b ）。在发光过程中，有些光的振动面在某个特定方向上出现的几率大于其他方向，即在较长时间内电矢量在某一方向上较强，这样的光称为部分偏振光（图2c ）。还有一些光，其振动面的取向和电矢量的大小随时间作有规律的变化，电矢量末端在垂直于传播

E

c

H

图1 E ， H ， c 三者之间的关系

图2 线偏振光、自然光及部分偏振光

a

b

c

x

图3a 椭圆偏振光的合成

方向的平面上的轨迹是椭圆或圆，这种光称为椭圆偏振光或圆偏振光（图3a ）。其中线偏振光和圆偏振光又可看作椭圆偏振光的特例。

椭圆偏振光可看作是两个沿同一方向z 传播的振动方向相互垂直的线偏振光的合成：如图1所示：

)cos(kz t A E x x -=ω （1） )cos(εω+-=kz t A E y y （2）

式中A 为振幅，ω为两光波的圆频率,t 表示时间，k 为波矢量的数值，ε为两波的相对位相差。合成矢量E 的端点在波面内描绘的轨迹为一椭圆。椭圆的形状、取向和旋转方向，由A x 、A y 和ε决定。当A x ＝A y 及ε＝±π/2时，椭圆偏振光变为圆偏振光；当A x （或A y ＝0）及ε＝0或±π

时，椭圆偏振光变为线偏振光（图3b ）。

本实验中主要考察的是光的各种偏振态的改变。

一 自然光变为线偏振光

一束自然光入射到介质的表面，其反射光和折射光一般是部分偏振光。在特定入射角即布儒斯特角θb 下，反射光成为线偏振光，其电矢量垂直于入射面。若光是由空气入射到折射率为玻璃平面上（图4a ），则

571

2==

n n tg b θ （3）

玻璃

θ

b

. . . . . .

. 空气

图4a 用玻璃片产生反射全偏振光

图3b 偏振态的转化

-π<ε<-π/2

-

π/2<

ε<0 0<ε<

π/2 π/2

<ε<π

ε=-π

/2 左旋

右旋

=π

若入射光以布儒斯特角θb 射到多层平行玻璃片上，经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为玻璃片堆。（图4b ）.

自然光经过偏振片，其透射光基本上变为线偏振光，这是由于偏振片具有选择吸收性的缘故，入射光波中，电矢量E 垂直于偏振片透光方向的成分被强烈吸收，而E 平行于透光方

向的分量则吸收较少。 二 波晶片

利用单轴晶体的双折射，所产生的寻常光（o 光）和非常光（e 光）都是线偏振光。前者的E 垂直于o 光的主平面（晶体内部某条光线与光轴构成的平面），后者的E 平行于e 光的主平面。波晶片是从单轴晶体中切割下来的平面平行板，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，光在晶体内部便分解为o 光与e 光。o 光电矢量垂直于光轴，e 光电矢量平行于光轴。而两者的传播方向不变，仍都与界面垂直。但o 光在晶体内的波速为v o , e 光为v e ，即相应的折射率n o 、n e 不同。设晶片的厚度为L,则两束光通过晶片后就有位相差：

L n n e o )(2-=

λ

π

δ （4） 其中λ为光波在真空中的波长。δ＝2k π的晶片，称为全波片；δ＝2k π±π时，为半波片；δ＝2k π±π/2为四分之一波片；

三 偏振光的检测

鉴别光的偏振态的过程称为检偏，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。用于起偏的偏振片称为起偏器，用于检偏的称为检偏器。

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：

图4b 用玻璃片堆产生线偏振光

θ2

0cos I I =

（5）

式中θ为入射光偏振方向与检偏器的偏振轴之间的夹角。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时，透射光强度为极大值；当θ＝90︒时，透射光强度为极小值，我们称之为消光状态，接近于全暗；当0<θ<90︒时，透射光强度I 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，可以区别线偏振光、自然光和部分偏振光。图5表示自然光通过起偏器和检偏器的变化情况。

五种偏振态的光可以通过下述方法来辨别：（表1）

四 通过波晶片后光的偏振态的变化

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

自然光通过波晶片后仍为自然光。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，引入一恒定的位相差δ，其结果还是无规则的。

线偏振光通过波晶片，其电矢量E 平行于e 轴（或o 轴），则任何波晶片对它都不起作用，出射光仍然为原来的线偏振光。因为这时只有一个分量，谈不上振动的合成与偏振态的改变。

除上述两种情况外，偏振光通过波晶片，一般其偏振态都要变化。我们可以通过其振动的合成来看其偏振态的变化情况：

我们知道，两个相互垂直、同频率且有固定位相差的简谐振动（例如通过波晶片后的e 光和o 光的振动）可用下列方程表示：

起偏器

检偏器

图5 自然光通过起偏器和检偏器的变化