偏振光学实验报告

偏振光的产生和检验

一．实验目的

1、掌握偏振光的产生原理和检验方法,观察线偏振光

2. 验证马吕斯定律，测量布儒斯特角；

二．实验原理

1.光的偏振性

光波是波长较短的电磁波，电磁波是横波，光波中的电矢量与波的传播方向垂直。光的偏振观象清楚地显示了光的横波性。光大体上有五种偏振态，即线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、自然光和部分偏振光。而线偏振光和圆偏振光又可看作椭圆偏振光的特例。

（1）自然光

光是由光源中大量原子或分子发出的。普通光源中各个原子发出的光的波列不仅初相彼此不相关，而且光振动方向也是彼此不相关的，呈随机分布。在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向振动的光矢量都有。平均说来，光矢量具有轴对称而且均匀的分布，各方向光振动的振幅相同，各个振动之间没有固定的相联系，这种光称为自然光或非偏振光（见下图）。

我们设想把每个波列的光矢量都沿任意取定的x轴和y轴分解，由于各波列的光矢量的相和振动方向都是无规则分布的，将所有波列光矢量的x分量和y 分量分别叠加起来，得到的总光矢量的分量E x和E y之间没有固定的相关系，因而它们之间是不相干的。同时E x和E y的振幅是相等的，即A x=A y。这样，我们可以把自然光分解为两束等幅的、振动方向互相垂直的、不相干的线偏振光。这

就是自然光的线偏振表示，如下图（a）所示。分解的两束线偏振光具有相等的强度I x=I y，又因自然光强度

I=I x+I y

所以每束线偏振光的强度是自然光强度的1/2，即

通常用图（b）的图示法表示自然光。图中用短线和点分别表示在纸面内和垂直于纸面的光振动，点和短线交替均匀画出，表示光矢量对称而均匀的分布。（2）线偏振光

光矢量只沿一个固定的方向振动时，这种光称为线偏振光，又称为平面偏振光。光矢量的方向和光的传播方向所构成的平面称为振动面，如图（a）所示。线偏振光的振动面是固定不动的，图（b）所示是线偏振光的表示方法，图中短竖线表示光振动在纸面内，点表示光振动垂直于纸面。

（3）部分偏振光

这是介于线偏振光与自然光之间的一种偏振光，在垂直于这种光的传播方向的平面内，各方向的光振动都有，但它们的振幅不相等，如图（a）所示。这种部分偏振光用数目不等的点和短线表示。在图（b）中，上图表示在纸面内的光

振动较强，下图表示垂直纸面的光振动较强。要注意，这种偏振光各方向的光矢量之间也没有固定的相的关系。

（4）圆偏振光和椭圆偏振光

这两种光的特点是在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量按一定频率旋

转（左旋或右旋）。如果光矢量端点轨迹是一个圆，这种光叫圆偏振光（见图（a ））。

如果光矢量端点轨迹是一个椭圆，这种光叫椭圆偏振光（见图（b ））。

2. 布儒斯特角

当光从折射率为n 1的介质（例如空气）入射到折射率为n 2的介质（例如玻

璃）交界面，而入射角又满足

1

2B arctan n n =θ 时，反射光即成完全偏振光，其振动面垂直于入射面。i B 称布儒斯特角，上式即

布儒斯特定律。显然，θB 角的大小因相关物质折射率大小而异。若n 1表示的是

空气折射率，（数值近似等于1）上式可写成

2B arctan n =θ

反射光

入射光图 3-1

3.马吕斯定律

如果光源中的任一波列（用振动平面E 表示）投射在起偏器P 上（如下图），

只有相当于它的成份之一的E y （平行于光轴方向的矢量）能够通过，另一成份

E x （=E cos θ）则被吸收。与此类似，若投射在检偏器A 上的线偏振光的振幅为

E 0，则透过A 的振幅为E 0 cos θ（这里θ是P 与A 偏振化方向之间的夹角）。由于

光强与振幅的平方成正比，可知透射光强I 随θ而变化的关系为

θ20cos I I =

这就是马吕斯定律。

4.波片

若使线偏振光垂直入射一透光面平行于光轴，厚度为d 的晶片，此光因晶片

的各向异性而分裂成遵从折射定律的寻常光（o 光）和不遵从折射定律的非常光

（e 光）。因o 光和e 光

在晶体中这两个相互垂直的振动方向有不同的光速，分别称做快轴和慢轴。设入

射光振幅为A ，振动方向与光轴夹角为θ，入射晶面后o 光和e 光振幅分别为A sin

θ和A cos θ,出射后相位差

d n n

e o )(20

-=λπϕ 式中λ0是光在真空中的波长，n o 和n e 分别是o 光和e 光的折射率。

这种能使相互垂直振动的平面偏振光产生一定相位差的晶片就叫做波片。

如果以平行于波片光轴方向为x 坐标，，垂直于光轴方向为y 坐标出射的o

光和e 光可用两个简谐振动方程式表示：

t A x e ωsin =

)sin(ϕω+=t A y o

该两式的合振动方程式可写成

ϕϕ22222sin cos 2=-+o

e o e A A xy A y A x 一般说来，这是一个椭圆方程，代表椭圆偏振光。但是当

πϕk 2=

（k ＝1、2、3…）或 πϕ)12(+=k

（k ＝0、1、2…） 时，合振动变成振动方向不同的线偏振光。后一种情况，晶片厚度

2

)12(λe o n n k d -+= 可使o 光和e 光产生（2k +1）λ/2的光程差，这样的晶片称做半波片,而当

2)12(π

ϕ+=k （k ＝1、2、3…）

时，合振动方程化为正椭圆方程

122

22=+o

e A y A x 这时晶片厚度4

)12(λe o n n k d -+=，称做1/4波片。它能使线偏振光改变偏振态，变成椭圆偏振光。但是当入射光振动面与波片光轴夹角θ＝45°时，A e ＝A o ，合振动

方程可写成 222A y x =+

即获得圆偏振光。

5.偏振光的获得

自然界的大多数光源所发出的是自然光。为了从自然光得到各种偏振光，需要采用偏振

器件。偏振片、玻片堆和尼科耳棱镜等都可以用作起偏器，自然光通过这些起偏器后就变成

了线偏振光。偏振片常用具二向色性的晶体制成，这些晶体对不同方向的电磁振动具有选择

吸收的性质，当光线射在晶体的表面上时，振动的电矢量与光轴平行时吸收得较少，光可以

较多地通过；电矢量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得很少。通常的偏振片是在拉伸了

的塞璐璐基片上蒸镀一层硫酸碘奎宁的晶粒，基片的应力可以使晶粒的光轴定向排列起来，

这样可得到面积很大的偏振片。

为了得到椭圆偏振光，使自然光通过一个起偏器和一个波片即可。由起偏器出射偏振

光正入射到波片中去时，只要其振动方向不与波片的光轴平行或垂直，就会分解成0光和e

光，穿过波片时在它们之间就有一定的附加相位差δ。射出波片之后，传播方向相同的这两

束光的速度恢复到一样，它们在一起一般是合成椭圆偏振光。只有当这两面束光之间的相位

差等于±π/2，且振幅相同时，才有可能得到圆偏振光。

换言之，令一束线偏振光垂直通过一波片，一般我们得到一束椭圆偏振光；只有通

过1/4波片，且波片的光轴与入射光的振动面成对45°角时，我们才能得到一束圆偏振光。

三．实验装置；

白光源，凸透镜（f=150mm ），二维调节架（SZ-03）三个，可调狭缝，光学测角台，升降调

节架，黑玻璃片，偏振片,X 轴旋转二维架（SZ-06），二维平移底座（SZ-02），另需钠灯、氦

氖激光器、1/4玻片及转动架和扩束器。

四．实验步骤