偏振现象的观测与分析

实验9 偏振现象的观测与分析

光的偏振现象证实了光的横波性。在光与物质相互作用时，横波振动着的电矢量起主要作用，电矢量的各种振动状态使光具有各种偏振态：自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。

偏振光的用途很广，在某些仪器上用偏振光如“椭圆偏振测厚仪”，“光弹仪”，“测玻璃的应力仪”，“地震预测仪”等。

【实验目的】

1.观察光的偏振现象，加深对偏振光的了解；

2.掌握产生和检验偏振光的原理和方法。

【实验仪器】

手动偏振实验仪、激光源、发光二极管、光电转换接收器。

【实验原理】

偏振光的产生与鉴别光的偏振现象比光的干涉和衍射现象更为抽象，不借助于专门的器件和方法，人的眼睛和光学接收器无法鉴别光的偏振特性。

1.自然光转化为线偏振光的方法

（1）吸收法：

偏振片（起偏镜或检偏镜）：常用的偏振片是由聚乙烯醇胶膜在碘溶液里浸泡，在高温下拉伸，在拉伸时这些链状分子被拉直，并平行排列在拉伸方向上，拉伸过的胶膜只允许振动取向平行的分子排列方向（此方向称偏振光的偏振轴）的光通过。

（2）反射法：

当自然光在两种媒质的界面上反射或折射时，入射角达到一定的特定值时，反射光为线偏振光，其振动面垂直于入射面，这种特点的角称布儒斯特角，布儒斯特定律满足tgθ=n2/n1。

检验是否是线偏振光，

可在其后加一检偏镜，检偏

镜后放一白屏。光线通过检

偏镜，旋转检偏镜在白屏上

看到有明暗的变化的光场。

（3）晶体起偏法：

利用某些晶体的双折射现象来获得偏振光。如尼科尔棱镜，格兰棱镜等。

2. 线偏振光转化成椭圆偏振光或圆偏振光

线偏振光垂直地入射到一块1/4λ波片上，当偏振光的振动方向与1/4波片的光轴的夹角不为450角时，得到椭圆偏振光。当偏振光的振动方向与1/4波片的光轴的夹角为450角时，即得到圆偏振光。

3.光电转换输出显示系统

按照偏振光的特性调好光路后，即可通过光电转换输出显示系统来记录光的特性了。当无光照射时，表头指示为零。若不为零，调节调零旋钮，使指针位于零处。当在光源和接收器之间加入偏振片时，接收器接收到的光的强度将会发生一定的变化。转动偏振片使输出最大,调节增益旋钮，使输出值在合适的位置处(建议调至7V-10V)。

用光电器件测量偏振光时，应注意的一个问题是：很多光电器件都具有偏振敏感性，所以在测量偏振态不同的偏振光时，即使光功能相同，所输出的电信号随着偏振态的不同而不同。为保证测量精度，在光电器件的窗口处加一退偏器（即毛玻璃），将偏振光变为非偏振光，或者在光电器件前加一偏振器减偏。

【实验内容和步骤】

1.自然光转化为线偏振光

如图1摆放仪器，光源为半导体激光器，光通过起偏镜后变成线偏振光，在其后加一个检偏镜，可检验是否是线偏振光，转动其中之一（即起偏或检偏）出射的光强发生明暗的变化。

图1

2.马吕斯定律的验证

马吕斯定律：I=I0·cos2θ。

I0：透过起偏器的光强，

I：透过检偏器的光强，

θ：两偏振片透振方向的夹角。

如图2摆放仪器，光源为半导体激光器。

旋转检偏器，找到两偏振片的透振方向平行的位置（θ=0）开始记录光电转换的能量，（可以先找到消光处，再将检偏器旋转90度）。不计检偏器的吸收时，此处的I即为I0。旋转检偏器一周选取11个点，即12个角度，从表头上读取出其输出值记入表格。将测得的能量值与计算值比较，验证马吕斯定律。

图2

3.椭圆偏振光测量

如图3摆放仪器，光源为半导体激光器。

图3

首先，将起偏镜和检偏镜调成正交状态（即旋转起偏或检偏）在白屏上出现暗场，这是因为两个镜的偏振方向互相垂直（若平行白屏上的光场最亮）。

在两个偏振片之间加1/4λ波片，光场发生变化，由最暗变成一些亮光，当旋转检偏镜时，在白屏光场上会出现有时亮，有时暗，这是因为椭圆偏振光长轴方向与短轴方向，光强度不同的结果。

旋转检偏器一周，选取12个点，即12个角度，从表头上读取出其输出的能量值。

4.圆偏振光的测量

光路如图3，调节方法与调节椭圆偏振光相同，只是加入1/4λ波片后，旋转1/4λ波片使光场（白屏）最暗，此时1/4λ波片的光轴方向与起偏镜的透振方向互相垂直，经玻片出射的是线偏振光。再在原来的角度（光场最暗）上加45o。

旋转检偏镜，此时在白屏上看到的光场强度不变，这种光是圆偏振光。旋转检偏器一周选取12个点，即12个角度，从表头上读取出

其输出能量值。

5.布儒斯特角测量

如图4摆放好光路，光源为发光二极管，用透镜聚焦。

图4

首先调节普通玻璃一个角度，而后旋转起偏镜直至白屏上的光点最弱，此时，光线只剩下平行于入射面分量，再旋转光学测角台直至白屏上完全消光。在测角台上读取角度，该角度就是布儒斯特角。

当光从空气向玻璃入射时n=1.54的玻璃板时，布儒斯特角为57o。

注：波片和偏振片均用SZ-06手动X轴旋转架夹持，透镜使用SZ-07二维调整架夹持，半导体激光器使用用SZ-19光源调整架夹持，普通玻璃使用SZ-30光学测角台夹持。调整架可直接安放在滑块的不锈钢杆上，而后把滑块固定到导轨上便可进行实验。