偏振光与双折射实验教案

偏振与双折射实验教案

赵东

一、实验目的

1、观察光在各向异性晶体中传播时产生的双折射现象，了解其规律；

2、观察光的偏振现象，加深对各种偏振光的概念和规律的理解；

3、掌握一些偏振光的产生和检验方法，以及了解相关仪器件的原理和使用方法。

二、实验原理

1、光的横波性与偏振

光的横波性是指光波的电矢量与光的传播方向垂直。在传播方向上垂直的二维空间中，电矢量可能有各种各样的振动状态，我们称之为偏振。简而言之，振动方向与传播方向垂直的波，叫横波。

光的偏振态可分为5种：自然光，线偏振光，部分偏振光，圆偏振光，椭圆偏振光。后面将一一介绍。

2、二色性与偏振片(polarizer)

2.1二色性

有的晶体对不同方向的电磁振动具有选择吸收的性质，当光照射到这种晶体的表面上时，振动的电矢量与光轴（光轴的概念在后面介绍）平行时，被吸收得比较少，光可以较多地通过；电矢量与光轴垂直时，被吸收得较多。比如电气石晶体。这种性质叫二色性。

2.2偏振片的制造

这里先插入对偏振片的介绍。能产生线偏振光（线偏振光的概念见后面）的晶片叫偏振片。

电气石对电矢量垂直和平行与光轴方向的光的吸收程度的差别还不够大，我们要做的理想偏振片的要求是，最好能使一个方向的振动全部吸收掉。在这一点上，碘硫酸奎宁晶体的性能要比电气石好得多，但是它的晶体很小。通常的偏振片是在拉伸了的塞璐璐基片上蒸镀一层硫酸奎宁晶粒，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。

小知识：1852年海拉巴斯(Herapath)发现碘硫酸奎宁晶体有二向色性，这一发现被布儒斯特写入书中，当时在哈佛就读的学生兰德(Land)读了布儒斯特的书后，对此很感兴趣。几年后，兰德发明一种方法，把细小的针状的碘硫酸奎宁晶体排列在塞璐璐基片上，制成了面积很大的线偏振器。这是一种价廉物美的偏振片，至今还广泛运用科研和教学中。

2.3偏振片的透振方向

偏振片上能透过的振动方向称为它的透振方向。

2.4偏振片表示

偏振片一般用它英语的第一个字母P 表示。

2.5消光比

评价偏振片的质量标准之一是消光比，消光比的定义将在线偏振光一节讲。

2.6起偏器(polarizer)和检偏器(analyzer)

偏振片根据在实验中的作用将分为起偏器和检偏器，将在后面讲。检偏器在有的书上用它的第一个英语字母A 表示，但是本实验中起偏器用1P 表示，检偏器用2P 表示。

3、自然光

先看一个实验：用一块偏振片P 来检验由普通光源（如太阳、电灯等）发出的光，当我们转动P 的透振方向时，透振光的强度I 并不改变。

对这个实验的理论解释为：光是光源中大量原子或分子发出的，在普通的光源中，各原子或分子发出的各自的光波的初相位不仅彼此毫无关联，而且它们的电矢量振动方向也杂乱无章。因此，入射光中包含了所有方向的横振动，宏观上看来，也就是从统计平均来说，它们对于光的传播方向形成轴对称分布，哪一个横方向也不比其它横方向的振动更优越。具有这种特点的光叫自然光，也叫非偏振光。 发出自然光的光源有：太阳，电灯等。

任何光线通过偏振片后只剩下了振动沿其透振方向的分量，透射光的强度等于这个分量的平方。由于

自然光中各振动是对称分布的，它们沿任何方向的分量造成的强度I 都一样，它等于总强度0I 的一半

012

I I =. (3.1) 4、线偏振光

4.1线偏振光的定义

只包含单一的电矢量振动方向的光叫线偏振光，也叫全偏振光。

4.2线偏振光的获得

透过偏振片的光线中，就只剩下与透振方向平行的电矢量振动的光波了。这就是线偏振光。

4.3振动面

线偏振光中，振动方向与传播方向构成的平面，叫振动面。

4.4马吕斯定律

根据在实验中的不同作用，偏振片有时叫起偏器，有时叫检偏器。在下面的定律中将见到。

马吕斯定律是在研究线偏振光通过偏振片后强度变化规律提出来的。

一束光先后射向两个偏振片，其中偏振片1P 用来产生线偏振光的，按照它在这里起的作用，我们叫它起偏器；偏振片2P 用来检验线偏振光的，所以叫检偏器。设通过两偏振片的振动矢量分别为12,E E ，振幅

分别为12,A A ，从而强度分别为221122,I A I A ==。固定1P ，改变2P 的透振方向。当2P 的透振方向与1P 透

振方向平行时，

12//E E ，12A A =，12I I =.

当转过θ角度时，2E 是1E 在2P 方向上的投影，从而21cos A A θ=，故

222222211cos cos I A A I θθ===,（4.1）

这就是马吕斯定律。

4.5消光比

是用来评价偏振片的质量标准之一。消光比的定义为两偏振片正交时（/2θπ=）的透射光光强I ⊥与平行时的透射光光强I 之比

I I

η⊥=(4.2).

透过偏振片的最小光强为零，就叫消光。

5、部分偏振光

部分偏振光的特点：它的偏振状态介于自然光和线偏振光之间。用偏振片去检验这种光时，随着偏振片的透光轴方向的转动，透射光的强度既不像自然光那样不变，也不像线偏振光那样每转过/2π就交替出现强度极大和消光。而是，每转过/2π就交替出现强度极大和极小，但是极小不是为零，即不消光。从这种光的内部成分来分析，这种光的振动虽然在各个方向上都有，但是在不同的方向上，振幅的大小不同。具有终上特点的光就叫做部分偏振光。

6、圆偏振光

6.1圆偏振光的定义和表示

如果一束光的电矢量在波面内运动的特点是其瞬时值的大小不变，但是方向以角速度ω随时间绕着传