实验项目：偏振光的产生及检验实验

一、           实验目的：

1、观察光的偏振现象，加深理解偏振的基本概念。

2、了解偏振光的产生和检验方法。

3、观测布儒斯特角及测定玻璃折射率。

4、观测椭圆偏振光与圆偏振光。

5、了解1/2波片和1/4波片的用途。

二、           实验内容与原理：

原理：

按照光的电磁理论，光波就是电磁波，电磁波是横波，所以光波也是横波。因为在大多数情况下，电磁辐射同物质相互作用时，起主要作用的是电场，所以常以电矢量作为光波的振动矢量，其振动方向相对于传播方向的一种空间取向称为偏振，光的这种偏振现象是横波的特征。

根据偏振的概念，如果电矢量的振动只限于某一确定方向的光，称为平面偏振光，亦称线偏振光；如果电矢量随时间作有规律的变化，其末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆（或圆），这样的光称为椭圆偏振光（或圆偏振光）：若电矢量的取向与大小都随时间作无规则变化，各方向的取向几率相同，则称为自然光；若电矢量在某一确定的方向上最i，且各向的电振动无固定相位关系，则称为部分偏振光。

偏振光的应用遍及于工农业、医学、国防等部门。利用偏振光装置的各种精密仪器己为科研、工程设计、生产技术的检验等提供了极有价值的方法。

（一）获得偏振光的方法

1、非金属镜面的反射。当自然光从空气照射在折射率为n的非金属镜面（如玻璃仪器、水等）上，反射光与折射光都将成为部分偏振光。当入射角增大到某一特定值时，镜面反射光成为全偏振光，其振动面垂直于入射面，这时入射角称为布儒斯特角，也称起偏振角。由布儒斯特定律得：

                               (1-1)

其中n为折射率

2、多层玻璃片的折射，当自然光以布儒斯特角入射到迭在一起的多层平行玻璃片上时，经过多次反射后透过的光就近似于线偏振光，其振动在入射面内。

3、晶体双折射产生的寻常光（o光）和非常光（e光），均为线偏振光。

4、用偏振片可以得到一定程度的线偏振光。

（二）偏振片、波长片及其作用

1、偏振片：

偏振片是利用某些有机化合物晶体的二向色性，将其渗入透明塑料薄膜中，经定向拉制而成。它能吸收某一方向振动的光，而透过与此垂直方向振动的光，由于在应用时起的作用不同而叫法不同，用来产生偏振光的偏振片叫做起偏器，用来检验偏振光的偏振片，叫做检偏器。

按照马吕斯定律，强度为I。的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为

                                 (1-2)

式中θ为入射偏振光的偏振方向与检偏器振轴之间的夹角，显然当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度I发生周期性变化，当θ= 时，透射光强最大；当时，

透射光强为极小值（消光状态）；当  < θ < 时，透射光强介于最大和最小值之间。图1-1表示自然光通过起偏器与检偏器的变化。

                       起偏器                  检偏器

                                  图1-1

2、波长片：

当线偏振光垂直射到厚度为L，表面平行于自身光轴的单轴晶片时，则寻常光（o光）和非常光（e光）沿同一方向前进，但传播的速度不同，这两种偏振光通过晶片后，它们的相位差 为：

                                        (1-3)

其中，λ为入射偏振光在真空中的波长， 和 分别为晶片对o光和e光的折射率，L为晶片的厚度。

我们知道，两个互相垂直的同频率且有固定相位差的简谐振动，可用下列方程表示（如通过晶片后o光和e光的振动）：

从两式中消去t，经三角运算后得到合振动的方程式为：

由此式可知：

(1)当    (K=0、1、2……)时, 为线偏振光；

(2)当     (K=0、1、2……)时, 为正椭圆偏振光。在Ao = Ae时，为圆偏振光；

(3)当 取其它值时，为椭圆偏振光。

在某一波长的线偏振光垂直入射晶片的情况下，能使o光和e光产生相位差

（相当于光程差为λ/2的奇数倍）的晶片，称为对应于该单色光的二分之一波片（λ/2波片）；与此相似，能使o光和e光产生相位 （相当于光程差为λ/4的奇数倍）的晶片，称为四分之一波片（λ/4波片）。本实验中所用波片是对

6328 (He一Ne激光）而言的。

如图1-2所示，当振幅为A的线偏振光垂直入射到λ/4波片上，振动方向与波片光轴成θ角时，由于o光和e光的振幅分别为Asinθ和Acosθ，所以通过λ/4波片后合成的偏振状态也随角度θ的变化而不同。

(1)当 时，获得振动方向平行于光轴的线偏振光；

(2)当 时，获得振动方向垂直于光轴的线偏振光；

(3）当 时，Ae = Ao获得圆偏振光；

(4）当 为其它值时，经过λ/4波片后为椭圆偏振光。

（三）椭圆偏振光的测量

椭圆偏振光的测量包括长、短轴之比及长、短轴方位的测定，如图1-3所示，当检偏器方位与椭圆长轴的夹角为 时，则透射光强为：

当 时, ；当 时,

则椭圆长短轴之比为

椭圆长轴的方位即为Imax的方位。