光的偏振现象分析-《大学物理实验》实验

【实验概述与思政要素】

1809年法国工程师马吕斯在实验中发现了光的偏振现象。光的偏振性质证实了光波是横波，即光的振动方向垂直于它的传播方向。麦克斯韦在1865—1873年建立了光的电磁理论，从本质上说明了光的偏振现象。对于光的偏振现象研究使人们对光的传播（反射、折射、吸收和散射等）规律有了新的认识。特别是近年来利用光的偏振性所开发的各种偏振元件、偏振光和偏振光技术在现代科学中发挥了极其重要的作用。在光调制器、光开关、光学计量、应力分析、光信息处理、光通信、激光和光电子学器件等应用中，都大量使用了偏振技术。

本实验要求学习产生和鉴别各种偏振光的基本方法，并对其进行观察、分析和研究，从而了解和掌握偏振片、1/4波片和1/2波片的作用及应用，加深对光的偏振性质的认识。

【实验目的】

①观察光的偏振现象，加深对光偏振基本规律的认识。

②了解产生和检验偏振光的基本方法。

③验证马吕斯定律。

【实验原理】

（1）偏振光的基本概念

光波是一种电磁波，它的电矢量E和磁矢量H相互垂直，并垂直于光的传播方向C。通常人们用电矢量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的振动面。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，如图4.19.1（a）所示。振动面的取向和光波电矢量的大小随时间做有规律的变化，光波电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆时，称为椭圆偏振光或圆偏振光。通常光源发出的光波有与光波传播方向相垂直的一切可能的振动方向，没有一个方向的振动比其他方向更占优势。这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光，如图4.19.1（b）所示。将自然光变成偏振光的器件称为起偏器，用来检验偏振光的器件称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是互为通用的。下面介绍几种常用的起偏和检偏方法。

图4.19.1　平面偏振光、自然光和部分偏振光

（2）利用偏振片起偏、检验、平面偏振光和马吕斯定律

物质对不同方向的光振动具有选择吸收的性质，称为二向色性，如天然的电气石晶体，硫酸碘奎宁晶体等。它们能吸收某方向的光振动而仅让与此方向垂直的光振动通过，如将硫酸碘奎宁晶粒涂于透明薄片上并使晶粒定向排列，就可制成偏振片。当自然光射到偏振片上时，振动方向与偏振化方向垂直的光被吸收，振动方向与偏振化方向平行的光透过偏振片，从而获得偏振光。自然光透过偏振片后，只剩下沿透光方向的光振动，透射光成为平面偏振光（图4.19.2）。

若在偏振片P1后面再放一偏振片P2，P2就可以用作检验经P1后的光是否为偏振光，即P2起了检偏器的作用。当起偏器P1和检偏器的偏振化方向间有一夹角，则通过检偏器P2的偏振光强度满足马吕斯定律

图4.19.2　二向色性起偏

图4.19.3　双折射起偏原理

当θ=0时，I=I0，光强最大；当θ=π/2时，I=0，出现消光现象；当θ为其他值时，透射光强介于0～I0。

1）双折射起偏

某些单轴晶体（如方解石和石英等）具有双折射现象。当一束自然光射到这些晶体上时，在界面射入晶体内部的折射光常为传播方向不同的两束折射光线，这两束折射光是光矢量振动方向不同的线偏振光。其中一束折射光始终在入射面内，其振动垂直于传播方向，称为寻常光（或o光）；另一束折射光一般不在入射面内且不遵守折射定律，其振动在主平面内，称为非常光（或e光），如图4.19.3所示。

研究发现，这类晶体存在这样一个方向，沿该方向传播的光不发生双折射，该方向称为光轴。

2）反射和折射光的偏振

自然光在两种透明媒质的界面上反射和折射时，反射光和折射光就能成为部分偏振光或平面偏振光，而且反射光中垂直入射面的振动较强，折射光中平行入射面的振动较强（部分偏振光是指光波电矢量只在某一确定的方向上占相对优势）。实验发现，当改变入射角i时，反射光的偏振程度也随之改变，当i等于特定角i0时，反射光只有垂直于入射面的振动，变成了完全偏振光，如图4.19.4所示。此时，入射角i0满足tani0=n2/n1（n1和n2为两种媒质的折射率），这个规律称为布儒斯特定律，i0称为起偏角或布儒斯特角。可以证明：当入射角为起偏角时，反射光和折射光传播方向是互相垂直的。图4.19.5是利用玻璃堆产生平面偏振光。

图4.19.4　用反射和折射起偏

图4.19.5　用玻璃堆产生平面

（3）1/4波片、圆偏振光和椭圆偏振光

当平面偏振光垂直入射到厚度为d，表面平行于自身光轴的单轴晶片时，o光和e光沿同一方向前进，但传播速度不同，因而会产生位相差，在方解石（负晶体）中，e光速度比o光快，而在石英（正晶体）中，o光速度比e光快。因此通过晶片后两束光的光程差和位相差分别为

式中，λ为光在真空中的波长；no和ne分别为晶片对o光和e光的折射率。

由Δ=2π/λ（no﹣ne）d可知经晶片射出后，o光和e光合成的振动随位相差的不同，就有不同的偏振方式。（在偏振技术中，常将这种能使互相垂直的光振动产生一定位相差的晶体片叫作波片）。因此晶片厚度不同，对应不同的相位差和光程差

(www.xing528.com)

平面偏振光通过λ/4片后，一般变为椭圆偏振光；但当θ=0或π/2时，出射的仍为平面偏振光，而当θ=π/4时，出射的为圆偏振光。所以，可以用λ/4波片获得椭圆偏振光和圆偏振光。

【实验仪器】

偏振片（两个）、单色玻片、1/4波片、光具座、光电管、白色光屏、电源（30V）、数字万用表和光源等。

【实验内容】

（1）自然光和平面偏振光的检验

①将平行光直接射到偏振片上，以其传播方向为轴转动偏振片一周，用眼睛直接观察透射光强度的变化。

②在第一个偏振片的后面放上第二个偏振片，再转动偏振片一周（转动任意一个都可以），用眼睛直接观察透射光强度变化情况。将两次观察结果记入表4.19.1进行比较，并作出结论。

表4.19.1　观察光波变化表

（2）验证马吕斯定律

①按图4.19.6将光电管，将灵敏电流计等接入光电检测电路。光电管在透射光照射下，电路中产生的饱和光电流与透射光强成正比，故通过对光电流的测量可反映透射光强度的变化。

图4.19.6　验证马吕斯定律线路

②如图4.19.7所示实验装置，将检偏器P2转至90°位置后，转动起偏器P1到消光位置，固定P1。实验时，P1和P2要尽量靠近，光电管套筒要贴近P2，以减小杂散光线对实验结果的影响。

图4.19.7　平面偏振光的产生与检验

③将P2转到0°（此时光电流为最大值）开始测量，每转15°测量一次光电流的数值。将测量结果记入表4.19.2。

表4.19.2　测量数据表格

④以I-Imin为纵坐标，cos2θ为横坐标作图。如果图线为通过坐标原点的直线，则表明马吕斯定律已被验证。

（3）圆偏振光和椭圆偏振光的产生与检验

①在光源和P1间插入一片单色玻片，使入射光成为单色光。转动P2，用眼睛直接观察光强变化到光斑最暗（这时P1和P2透光方向垂直）。

②保持P1和P2不动，在P1和P2间插入1/4波片。转动波片，再使光斑最暗（用眼睛直接观察）。以此时波片光轴位置为起点，转动1/4波片；使其光轴与起始位置的夹角依次为0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°时，分别将P2转动一周，根据你看到的光斑明暗变化情况，记入表4.19.3中，并对P2的入射光偏振态分别作出判断。

表4.19.3　用1/4波片观察光强变化表

续表

【数据处理】

①分析表4.19.1中两次测量数据，进行比较并作出结论。

②在表4.19.2中，以I-Imin为纵坐标，cos2θ为横坐标作图。如果图线为通过坐标原点的直线，则表明马吕斯定律已被验证。

③分析表4.19.3中数据，对P2的入射光偏振态分别作出判断。

【思考题】

1.光的偏振现象说明了什么？一般用哪个矢量表示光的振动方向？

2.偏振器的特性是什么？何谓起偏器和检偏器？

3.产生线偏振光的方法有哪些？将线偏振光变成圆偏振光或椭圆偏振光要用何种器件？在什么状态下产生？实验中如何判断线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光？