实验1.6 光的偏振现象与偏振光应用实验
1. 实验目的
① 观察光的偏振现象，验证马吕斯定律。掌握产生与检验偏振光的原理和方法。 ② 了解1/2波片、1/4波片的作用。
③ 掌握椭圆偏振光、圆偏振光的产生与检测。
2．实验器材
① GDS-Ⅲ型光电综合实验平台1台；
② 激光器（He-Ne激光器或半导体激光器）1只； ③ 检偏器1只； ④ 起偏器1只； ⑤ 1/2波片1只； ⑥ 1/4波片1只； ⑦ 硅光电池装置1只； ⑧ 夹持与固定装置等。
3．基础知识
???光是一种电磁波，它有电矢量E和磁矢量B两个分量，习惯上我们总是用电矢量E来代
表光波。光波中的电矢量与波的传播方向垂直，光的偏振现象证实了光的横波性。
就偏振性而言，光一般可分为偏振光、自然光和部分偏振光。光矢量的方向和大小有规律变化的光称为偏振光。偏振光又可分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。在传播过程中，光矢量的方向不变，其大小随相位变化的光是线偏振光，这时在垂直于传播方向的平面上，光矢量端点的轨迹是一条直线。圆偏振光在传播过程中，其光矢量的大小不变，方向呈规则变化，其端点的轨迹是一个圆。椭圆偏振光的光矢量用两个振动方向相互垂直、相位有关联的线偏振光来表示。
偏振光可视为两个沿同一方向z传播的振动方向相互垂直的线偏振光（如图1.6-1所示，一个为电矢量Ex，一为Ey）的合成：
??E＝Exx0?Eyy0 Ex?Axexp[ikz]Ey?Ayexp[i(kz??)]
(1.6-1)
式中A表示振幅，k为波矢的数值，?是两波的相对相位差。合成矢量E的端点在波面内描绘的轨迹为一椭圆。椭圆的形状、取向和旋转方向，由
Ax，Ay和?决定。当Ax?Ay和
????时，则为圆偏振光；当??0或者A?0（或
x2Ay?0）时，则为线偏振光。
从普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光。自然光可以看成是在一切可能方向上振动的光波的综合，即在观察时间内，光矢量在各个方向上的振动几率和大小相同。
自然光在传播过程中，由于外界的影响，造成各个振动方
图1.6-1椭圆偏振光的分解
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向上的强度不等。使某一方向的振动比其他方向占优势，这种光叫部分偏振光。
1）线偏振光的获得
（1）由反射和折射产生偏振光
自然光投射到两种不同介质的分界面上时，若入射角满足 关系式?1??2??2（θ1：入射角；θ2折射角），则反射光中没有振动平行于入射面的分量，
只有垂直于入射面振动的分量，发生全反射现象，反射光是偏振光，此时的入射角为布儒斯特（Brewster）角?B。若使自然光以布儒斯特角入射并通过一玻璃片堆，经过各片上、下表面的反射和折射，透射光中的垂直分量随反射次数的增加变得越来越少，最后得到偏振程度相当高的平行入射面振动的透射光。
（2）由二向色性产生偏振光
有些各向异性的晶体对不同振动方向的偏振光有不同的吸收系数，这种特性称为二向色性。当自然光通过它时，只能有某一确定振动方向（称为透射方向）的光能够通过，而振动方向与此透射方向垂直的光却被吸收掉。
（3）双折射晶体产生偏振光
在双折射晶体内，自然光波被分解成光矢量相互正交的线偏振光传播，把其中的一束光拦掉，便得到线偏振光。
2）马吕斯（Malus）定律
设两偏振片的透射方向之间的夹角为α，透过起偏器的线偏振光振幅为A0，则透过检偏器的线偏振光的振幅为A：
A?A0cos?
强度I为：
（1.6-2）
I?I0cos2?
（1.6-3）
称式（1.6-3）表示的关系式为马吕斯定律。可知，当起偏器与检偏器的透光轴平行时，透射光强最大，为I0，当起偏器与检偏器的透光轴垂直时，透射光强为零。
3）波片
波片也称为相位延迟片，它能使偏振光的两个互相垂直的线偏振光之间产生一个相对的
位相延迟，从而改变光的偏振态。
波片是透明晶体制成的平行平面薄片，其光轴与表面平行。当一束线偏振光垂直入射到其单轴晶体制成的波片时，在波片中分解成沿原方向传播但振动方向相互垂直的o光和e光，相应的折射率为no、ne。由于两束光在晶片中的传播速度不同，当通过厚度为d的晶片后产生相应的相位差（相位延迟量）：
??（1）全波片
这种波片产生相位延迟：
2??no?ned
（1.6-4）
??其厚度：
2??no?ned?2m?(m?1,2,3?) (1.6-5）
d?m?
no?ne （1.6-6）
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全波片产生2π整数倍的相位延迟，故不改变入射光的偏振态。 （2）半波片（或1/2波片）
半波片产生的相位延迟δ和相应的波片厚度d为：
??n?nd?(2m?1)?(m?0,1,2,3?)， ?oe2m?1?d?? （1.6-7）
no?ne22?半波片产生π奇数倍的相位延迟，线偏振光通过半波片后仍是线偏振光。若入射线偏振光的振动方向与波片快轴（慢轴）夹角为α，则出射线偏振光的振动方向向着快轴（慢轴）方向转过角2α。圆偏振光入射时，出射光是旋向相反的圆偏振光。
（3）1/4波片
1/4波片产生的相位延迟δ和相应的波片厚度d为：
??2??no?ned?(2m?1)?/2(m?0,1,2,3?)，
（1.6-8）
d?2m?1??
no?ne4半波片产生π/2奇数倍的相位延迟，能使入射线偏振光变为椭圆偏振光。若入射线偏振光的光矢量与波片快（慢）轴成±45o时，将得到圆偏振光。
4）偏振光的变换
平行光垂直入射到波晶片内，分解为o光分量和e光分量，透过波片，两者间产生一附加相位差δ，离开波片时两者合二为一，合成光的偏振性质决定于δ及入射光的性质。自然光通过波晶片，仍为自然光。因为自然光的两个正交分量之间的相位差是无规则的，通过波晶片，引入一恒定的相位差δ，其结果还是无规则的。若入射光为线偏振光，其电矢量E平行于快轴（或慢轴），则任何波片对它都不起作用，出射光仍为原来的线偏振光。因为这时只有一个分量，谈不上振动的合成与偏振态的改变。除上述两情形外，偏振光通过波晶片，一般其偏振态都要变化。我们可以将不同偏转光之间的变换归结在表1.6-1中。
表1.6-1 偏振光的产生与变换
线偏振光 圆偏振光 椭圆偏振光 自然光 线偏振光 圆偏振光 椭圆偏振光 通过一个1/4波片 通过一快（慢）轴与椭圆的长（短）轴一致的1/4波片 先通过一个1/4波片变为线偏光，再通过一快（慢）轴与线偏光成±45度的1/4波片 通过起偏器 先通过一个起偏器，再通过一个快（慢）轴与起偏器成±45度的1/4波片 通过一个快（慢）轴与起偏器成±45度的1/4波片 先通过一个起偏器，再通过一个快（慢）轴与起偏器不成±45度或0度的1/4波片 通过一快（慢）轴与起偏器不成±45度或0度的1/4波片 先通过一个1/4波片变为线偏光，再通过一快（慢）轴与起偏器不成±45度或0度的1/4波片 5）偏振光的测定 光可分为七种偏振态：线偏振光、自然光、圆偏振光、部分圆偏振光、椭圆偏振光、部分线偏振光、部分椭圆偏振光，现检验过程如下。
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图1.6-2 偏振光的测定
5．实验内容与步骤
1）验证马吕斯定律
实验装置如图1.6-3所示，光源发出的光束经过起偏器产生线偏振光，再透过检偏器照射到硅光电池上，转动检偏器一圈， 观察检偏器出射光强的变化，找到硅 光电池输出电流最大的位置，确定该 位置为相对0°。实验时，检偏器每次 旋转5°，测量并记录一次输出电流 （或电压）。测量范围为：-90°~ +90°。 作出光强与旋转角度之间的关系曲线， 从而验证马吕斯定律。
2）1/2波片的作用
① 按如图1.6-4所示结构图放置各种元件，并使起偏器和检偏器的透光轴正交（没有在波片位置放置波片），此时应观察到消光现象。然后在波片位置处插入1/2波片，转动1/2波片（一周），从万用表的读数能够观看到几次消光现象？为什么？
② 将1/2波片转任意角度，这时消光现象被破坏，转动检偏器（一周），观察到什么现象？由此说明线偏振光透过1/2波片后，它的偏振状态怎样？
③ 在波片位置处插入1/2波片，旋
转检偏器到消光位置处。然后旋转1/2波片转角为15°，30°，45°，60°，75°，90°，旋转并记录检偏器到消光位置时所转总角度。
3) 1/4波片的作用
① 按图1.6-4使起偏器和检偏器正交，将λ/4波片插入到波片位置处，转动1/4波片使系统出现消光。
② 将1/4波片转动15度，然后将检偏器转动360度，观察现象，并分析这时从1/4波片出射光的偏振状态。
③ 旋转1/4波片，转动角度为30°，45°，60°，75°，90°，每次将检偏器转动一圈，记录所观察到的现象。
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图1.6-4波片实验装置
万用表 图1.6-3 马吕斯定律实验装置
光源 起偏器
检偏器
光电池 ④ 将1/2与1/4波片转动各种已知角度情况下旋转起偏器360°，观察光的偏振情况（图像或光点强度变化情况），记录到表1.6-2与表1.6-3中，再根据两个表所记录的数据找出规律。
1/2波片转动角度 15° 30° 45° 60° 75° 90° 表1.6-2 1/2波片测量数据 检偏器转动360度观察到的现象 表1.6-3 1/4波片测量数据
检偏器转动360度观察到的现象 光的偏振性质 光的偏振性质 1/4波片转动的角度 15° 30° 45° 60° 75° 90° 6. 习题与思考
① 请设计一个实验方法，将圆偏振光、自然光、部分圆偏振光检验出来？简述其过程及步骤。
② 如果在互相垂直起偏器和检偏器之间插入一块1/4波片，使其光轴跟起偏器的光轴平行，那么透过检偏器的光斑是亮的？还是暗的？为什么？
③ 将检偏器转动90°后，光斑的亮暗是否变化？为什么？
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