偏振光现象的观察和分析

偏振光现象的观察和分析

摘要

本实验用半导体激光通过偏振片来产生线偏振光，使其分别通过1/4波片和1/2波片，通过测量不同方向上检偏器透过的光的强度，判断出出射光的偏振态。并证实了线偏振光通过1/4波片可以产生线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光，通过1/2波片可以产生线偏正光，验证了马吕斯定律。

一、引言

振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。在垂直于传播方向的平面，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。偏振光的典型应用是偏光式3D 技术，其普遍用于商业影院和其它高端应用。

二、实验原理

1.偏振光的种类

光是一种电磁波，由于电磁波对物质的作用主要是电场，故在光学中把电场强度E 称为光矢量。在垂直于光波传播方向的平面，光矢量可能有不同的振动方向，通常把光矢量保持一定振动方向上的状态称为偏振态。如果光在传播过程中，若光矢量保持在固定平面上振动，这种振动状态称为平面振动态，此平面就称为振动面。

图1 电矢量垂直于纸面的偏振光

图2 电矢量平行于纸面振光【1】

光的五种偏振态：

①线偏振光：在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持

在同一平面，

②部分偏振光：光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不

等。

③自然光：光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅相等。

④椭圆偏振光：在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作

旋转运动，若它们的频率相同并且有固定的位相差，则该点的合成振动

的轨迹一般呈椭圆形。

⑤圆偏振光：旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光

的特殊情形。

2.线偏振的产生

（1）偏振片

利用某些有机化合物的“二向色性”制成，当自然光透过这种偏振片后，光矢量垂直于偏振片方向的分量几乎完全被吸收，而平行方向的分量几乎完全通过，因此透射光基本上为线偏振光。偏振片可以作为起偏器，也可以作为检偏器检验偏振光的偏振方向。

（2）双折射产生偏振

自然光入射到双折射晶体时，产生的寻常光(o光)和非寻常光（e光）都是线偏振光。

3.波晶片

即上述能发生双折射的晶体，又称波片。当光垂直入射到波片后，产生的o 光和e 光在波片中的传播方向一致而传播速度不同，因此导致它们产生了光程差

，当波长为λ时，产生相位差，

其中d 为波片厚度，n e 与n o 是e 光与o 光的主折射率。对于某种单色光，能产生相位差(21)

2

k π

δ=+的波片为1/4波片；能产生(21)k δπ=+的波片称为1/2

波片；能产生2k δπ=的波片称为全波片。

离开波片时合成波的偏振性质，确定于相位差δ和θ。线偏振光通过1/2波片后出射光和入射光的电矢量对称于光轴；线偏振光通过1/4波片后可能产生线偏振光、圆偏振光和长轴与光轴垂直或平行的椭圆偏振光。 4.偏振光的检验

表一 检验偏振光的类型【2】

第一步

令入射光通过偏振片1，改变偏振片1的透振方向P 1，观察透光强度的变化

观察到的现象 有消光 强度无变化

强度有变化但无消光

结论 线偏振 自然光或圆偏振

部分偏振或椭圆偏振

第二步

a.令入射光一次通过1/4波片和偏振片2，改变偏振片2的透振方向P 2，观察透射光的光强度变化

b.同a ，只是1/4波片的光轴方向必须与第一步中偏振片1产生的强度极大或极小的透振方向重

5.马吕斯定律

强度为I0的线偏振光,透过检偏片后,透射光的强度(不考虑吸收)为：

I=I0(cosα)2

其中, α是入射线偏振光的光振动方向和偏振片偏振化方向之间的夹角。

三、实验装置及过程

实验装置：

发出波长为635nm 的红光的半导体激光器；2个偏振片，直径2cm，分别用作起偏器与检偏器；2个1/4 波片，直径2cm；1个1/2 波片，直径1cm；数字式光功率计。

实验过程：

1．光路调节

将一个偏振片A

1靠近激光器作为起偏器，一个偏振片A

2

靠近功率计作为检偏器。

转动A2一圈，发现其最大值不超过量程0~2mw，并调节A2达到消光状态，记下此时其读数。

2. 验证马吕斯定律

以达到消光状态时的A2的位置为零点，转动A2每隔4°记下一次功率计的读数。

3. 1/4波片的作用

将A2调整到消光位置后放入1/4波片C

1，调整至消光。旋转1/4波片C

1

，

当q分别为15°、30°、45°、60°、75°、90°时，将A

2

旋转360°，观察

光电流的变化情况和极值的出现情况。

细测：选取30°作详细测量，每隔10°记下对应的光功率。

4.利用1/4波片组成1/2波片

将两个1/4波片放在一起，调节至产生消光现象，将两波片转动一定的角度θ破坏消光现象，调节A2再次达到消光状态，如果其角度符合2q即形成1/2波片。

5. 1/2波片的作用

先不放1/2波片，转A

2

调至消光，放1/2波片，改变1/2波片与激光振动方向

夹角的数值，当其分别为15°、30°、45°、60°、75°、90°时，转A

2

到达消光位置，记录转动角度。

四、实验结果及分析

1.验证马吕斯定律

图1 功率计示数I 与cos²α作线性拟合

其中I=(1.881±0.02)cos²α+(0.002± 0.001)，即光强正比于cos²α

2.1/4波片的作用

（1）粗测