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1、偏振现象的观察与分析 王景聚 实验目的 1.观察光的偏振现象,巩固理论知识. 2.掌握产生与检验偏振光的原理和方法. 仪器及用具 分光计、纳光灯、偏振片、1/4波片、 半波片和平面镜等. 原理 光是一种电磁波,它的电矢量E和磁矢量H相互垂 直,且均垂直于光的传播方向.通常用电矢量E代表 光的振动方向,并将电矢量E和光的传播方向所构成 的平面称为该偏振光的振动面.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.若振动只是在某一确定的方向上占 有相对优势,则称为部分偏振光.还有一些光,它的振 动面和电矢量随时间作有规律的变化,而电矢量末端 在垂直与传播方向的平面上
2、的轨迹呈椭圆或圆,这样 的光称为椭圆偏振光或圆偏振光. 1.平面偏振光的产生与检验 （1）利用反射（或透射）起偏 自然光在某些非金属（如水、玻璃等）表面上反射 时,一般说来,反射光和折射光都是部分偏振光,由布儒 斯特定律可知,反射光与折射光偏振化的程度决定于光 在空气中的入射角,当 n1 n2 N 反射光为完全偏振光,其振动面与 入射面垂直,入射角称为布儒斯 特角亦称全偏振角.对于空气的折 射率n1=1.00,玻璃的折射率 n2=1.50, 布儒斯特角约为 =56.3. 1.平面偏振光的产生与检验 （2）利用晶体的双折射起偏 当自然光入射到某些各向异性晶体（如冰洲石、石英 ）时,在晶体内折射后
3、分解为两束平面偏振光,并以不同速 度在晶体内传播,这种现象称为双折射.在方解石、石英等 晶体内,都有一个特殊方向,光沿这个方向传播时,不发生 双折射,这个方向称为晶体的光轴,通过光轴并与晶体表面 正交的平面称为主截面.若入射面与主截面重合则双折射 产生的两束平面偏振光的振动面互相垂直,其中一束光的 振动垂直于晶体主截面,称为寻常光（简称O光）.另一束 光的振动平行于晶体的主截面,称为非常光（简称e光）, 在晶体内只有沿光轴方向传播时O光和e光的速度相等,而 沿其它方向传播时它们的速度不相等. 1.平面偏振光的产生与检验 （3）利用晶体的二向色性起偏 有些晶体（如电气石人造偏振片等）对两个相互垂
4、 直振动的电矢量具有不同的吸收本领,这种选择吸收性 称为二向色性.当自然光通过二向色性晶体时,其中一成 分的振动几乎被完全吸收,而另一成分的振动几乎没有 损失.因些,透过光成为平面振动光.偏振片是一种常用 的起偏元件,用它可获得截面积较大的偏振光束. 2.马吕斯定律 电矢量为E强度为I0的线偏振光垂直入射到一个理想的 偏振片(检偏器)上,若入射光电振动矢量E和偏振片偏振方 向之间的夹角为, 则透射光强为 (2)式为马吕斯定律.当以光的传播方向为轴旋转检振器时, 透射光强I将发生周期性变化.当=0时,透射光强最大（最 亮）；当=90时,透射光强最小（最暗）；当090时, 透射光强度介于最亮与最暗
5、之间. 3.波片与圆偏振光和椭圆偏振光 波片由正晶体或负晶体制成,常用来改变光的偏振状态. 当一束振幅为A的线偏振光垂直入射到表面平行于光轴的晶 片上，且光的振动面与晶片光轴夹角为时，则在晶片表面 上，偏振光O光与e光的振幅分别为Asin与Acos.二光传播 的方向相同,但这两束振动面互相垂直的光由于在晶体中传 播速度不同，因而会产一位相差.设晶片厚度为l,晶体对O光 的折射率为n0,对e光的折射率为ne,于是经晶片射出后O光、e 光的位相差为 波片与圆偏振光和椭圆偏振光 O光与e光为两个同频率、有固定相位差,互相垂直的振 动,则两光的波动方程为 式中Ao=Asin,Ae=Acos .从（4）
6、、（5）二式中消去t,得 一般说,此式为一椭圆方程即合振动的轨迹在垂直于传播 方向的平面内且呈一椭圆形.它代表椭圆偏振光. 讨论 （1）当=2k（k=1,2,3,）由（3） 式得,即厚度为l的晶片可使O光与e光的 光程差为k,这种晶片称为全波片或波 片. 将=2k代入（6）式,得 可见,=2k时,O光经过全波片后,其合振动为平面偏振光,其振 动方向与入射偏振光的振动方向平行. 讨论 （2）当=(2k+1), k=0,1,2,），由（3） 式及(no-ne)L=(2k+1)/2 ,此时晶片厚度可使O 光与e光的光程差为 (2k+1) /2 ,此波片称为半 波片. 这这样的合振动仍为平面偏振光,不
7、过振动方向相对原 入射光的振动方向转过2角度 讨论 （3）当=(2k+1)/2,（k=0,1,2,3,），则 光程差为(no-ne)L=(2k+1)/4,此晶片厚度可使O 光与e光的光程差为/4,此晶片为1/4波片. 若O光与e光的振幅相等,即A0=Ae,则（9）式变为 此合成光圆偏光.当不为以上各值时,各振动为不同长 短轴组合的椭圆偏振光.椭圆偏振光的长轴和短轴的取向 决定于入射偏振光方向与晶片光轴间的夹角.当 =0,/2时得线偏振光,=/4时得圆偏振光. 4.偏振光的鉴别 (1)自然光和线偏振光的鉴别 (1)自然光和线偏振光的鉴别 根据马吕斯定律I=I0cos2 ，当=0时,I=I0光强不
8、发生变化.当 =90，I=0.因此把检偏器对着入射光,旋转检偏器,若光强不发 生变化,则入射光为自然光或圆偏振光.若检偏器旋转一周,透射 光有两次最亮(与入射光一样)和两次完全黑暗,则入射光应为线 偏振光. (2)自然光与圆偏振光的鉴别 在检偏器前加一个1/4波片,此时若无论检偏器旋转到什么位置, 光强I始终不变,则此入射光为自然光.而圆偏振光经过四分之一 波片后,成为一线偏振光.在旋转检偏器时,可以观察到(1)中所述 现象. 偏振光的鉴别 (3)椭圆偏振光与部分偏振光的鉴别 在检偏器的前加一个1/4波片,然后旋转偏振器进行观察,此 时1/4波片的光轴应与只用检偏器观察时透射光为极大或极 小的方向重合,此时若有一位置视场全暗,则入射光为椭圆 偏振光,否则为部分偏振光. 实验内容 鉴别自然光和偏振光 反射起偏 考察偏振光通过/2波片和/4波片时的 现象