322112818421光的偏振剖析.docx
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322112818421光的偏振剖析
光的偏振
一.实验目的
1.观察光的偏振现象，加深对光偏振基本规律和偏振器件的认识，验证马呂斯定律。
2.了解产生和检验偏振光的基本方法，掌握椭圆偏振光、圆偏振光的产生与检测。
3.观察掌握1/2波片,1/4波片的光学特性,旋光效应及半导体激光的偏振特性。
实验仪器偏振片（两个）、旋光晶体、1/4波片、光具座、光电管、白色光屏、二维可调半导体激光器，激光功率指示计。
三.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。
用电矢量E代表光的振动方向，将电矢量E和光的传播方向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a所示。
振动面的取向和光波电矢量的大小随时间作有规律的变化，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。
没有一个方向的振动比其它方向更占优势。
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b所示。
如图c所示称
为部分偏振光.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。
2.利用偏振片起偏、检验、平面偏振光和马呂斯定律
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衰减和吸收，振动方向与偏振化方向平行的光透过偏振片，从而获得线偏振光。
若在偏振片起偏器R后面再放一偏振片P2，2就可以用作检验经Pl后的光是
否为偏振光，即R起了检偏器的作用。
当起偏器Pi和检偏器的偏振方向有一夹
角9，则通过检偏器P2的偏振光强度满足马呂斯定律：
2
1=1ocos9
当9=0时，1=1°,光强最大；当9=n12时，1=0，出现消光现象；当9为其它值时，透射光强介于0〜I。
之间。
3.1/4波片、圆偏振光和椭圆偏振光
双折射起偏
如图所示,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，其中一束折射光始终在入射面内其振动垂直于传播方向，遵守折射
定律,为寻常光（或0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）。
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。
如图所示，一束平行的线偏振光垂直入射到一块厚度为d，表面平行于自身光轴的单轴晶片上时，光在晶体内分解为o光与e光，o光和e光沿同一方向前进，但传播速度不同，因而会产生光程差位相差，
<5=一叫M
光程差△=（□。
-ne）d，相应的位相差为，d为晶片厚度式中，入为光在真空中的波长，「和S分别为晶片对o光和e光的主折射率。
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做波片）。
当光刚刚穿过晶体时，此两光的振动可分别表示如下:
E.=A0coswt
式中Ae=Acosa，Ao=Asina，由两式消去t，得轨迹方程
光通过晶片后o光和e光的合成光矢量在晶片出射界面上的矢端轨迹为
这是个一般的椭圆方程。
当改变厚度d时，光程差△亦改变
上式表明由晶片出射的光一般为椭圆偏振光，随位相差的不同表现为不同的椭圆形态，如图所示。
适当选择晶片的厚度d,可使线偏振光通过晶片后出射光具有不同的偏振态。
故出射光为平面偏振光，与原入射光振动方向相同，满足此条件之晶片称为全波片。
线偏振光经过全波片后，出射光仍为线偏振光。
光通过全波片不发生振动状态的变化。
（2）1/2波片。
当晶片厚度d满足光程差△=（2k+1）入12（k=0,1,2,……），爲戸于时,
I…-一0该晶片称为1/2波片或半波片。
线偏振光经过1/2波片后，出射光为
、Ad*
线偏振光，但振动面转过2a角。
若a=45°，则出射光的振动面与入射光的振动面垂直。
⑶1/4波片。
光晶片厚度满足光程差△=（2k+1）入/4（k=0,1,2,••…）,产生相位差―士心：
?
时,
线偏振光经波片后，出射光一般为椭圆偏振光，椭圆的两轴分别与晶体的主截面平行及垂直
由于0光和e光的振幅是a的函数，所以通过1/4波片后的合成偏振状态也将随角度a变化.
当a=n/4时，出射光为圆偏振光（0光,e光分量的振幅相等）•若总二乙，于是,
e2e2^a2出射光为圆偏振光。
xy
当a=0或n/2时，线偏振光不论经过何种波片后，出射偏振态不变。
当a=i.时，出射光为振动方向平行1/4波片光轴的平面偏振光。
（只有平行于光轴的分量，不分解）
当a时，出射光为振动方向垂直于光轴的平面偏振光。
（只有垂直于光轴
的分量，不分解）
a0，n/4，n/2――当a为其它值时，出射光为椭圆偏振光。
（正椭圆）
（1）若入射为线偏振光，则出射光一般为椭圆偏振光。
（2）若入射为圆偏振光，则出射光为线偏振光。
（3）若入射为椭圆偏振光，则出射光一般仍为椭圆偏振光。
用四分之一波片，从线偏振光可获得正椭圆或圆偏振光，也可以从正椭圆或圆偏
振光获得线偏振光。
因为合成正椭圆或圆偏振光的两个垂直分量已经有了相位差n/2,经1/4波片以后，又有土n/2的相位差，所以出来的就是0或n的相位差，是线偏振光。
4.旋光现象
线偏振光通过某些物质（如石英、氯酸钠等晶体或糖溶液松油，葡萄糖液等），偏振光的振动面将以光的传播方向为轴旋转一定的角度，但还是线偏振光，这种现象称为旋光现象.旋转的角度？
称为旋转角或旋光度。
旋光率：
表征旋光物质的旋光能力大小的量。
用线偏振光通过单位厚度旋光物质后其偏振面
旋转的角度表示。
单位为度/mm或度/cm,表示对某一特定波长，单位厚度的材料可旋转的角度.
线偏振光的相角等于n，y轴上的分量与x轴的分量呈线性关系。
实验证明，线偏振光通过旋光性溶液后，其旋光度与溶液的化学浓度c成正比,
也与光所通过的液体层厚度L成正比，即？
=acL.式中？
的单位是°（度），
c的单位是g/cm3，1的单位是dm（10cm），a表征了物质的旋光性质，称
为旋光率.若已知待测旋光性溶液的浓度c和液层厚度L，测出旋光度？
后，就
可求出其旋光率。
某些晶体（如石英晶体）也具有旋光性质，其旋光度？
=ad,其中d为晶体
通光方向的厚度，单位为毫米（mm）。
a――旋光率，d――旋光物质的长
度•
在一定温度下，旋光率与入射光波长成反比，即随波长入的减小而迅速增大，
故一般用钠黄光（入=589.3nm）测定旋光率。
旋光率a与温度及浓度有关。
四.实验内容
1.观察光的偏振特性及验证马呂斯定律
（1）将二维可调半导体激光器，偏振架1（起偏器）,偏振架2（检偏器）,激光功率指示计光探头依次排列.
（2）将二维可调半导体激光器，激光功率指示计光探头分别与激光功率指示计相连.
（3）打开激光功率指示计电源，激光输出.调整激光指向和各架子高度，使激光从二个偏振片的中心通过，进入激光功率指示计光探头.
（4）旋转检偏器，记录下角度与功率的关系曲线，以验证马呂斯定律
表测量数据表格
固定起偏器，转动检偏器到光电流为最大值•开始测量，每转15°测量一次光电流的数值。
将测量结果记入数据表格。
9
0°
15°
30°
45°
60°
75°
90。
PI
2
Cos9
|-|min
二二—
■丄—
（5）以；为纵坐标，cos29为横坐标作图。
如果图线为通过坐标原点的直
线，则表明马呂斯定律已被验证。
2.
线偏振光通过1/2波片时的现象和1/2波片的作用
在光具座上按图放置各元件，在未放入1/2波片时，使检偏器与起偏器正交,
光屏上呈现消光现象。
插入1/2波片后，转动1/2波片观察光屏。
调节波片至呈
现消光现象，此时为初始角度。
再将1/2波片从初始位置转10°,破坏消光，然后转动检偏器至消光位置。
记下检偏器所转过的角度。
依次类推，将转动1/2波片20°，记下达到消光时检偏器转过的角度。
数据记录表格如下：
波片转角
0°
10
20°
30°
40°
50°
60°
70°
80°
90°
检偏器转角
若检偏器固定，将1/2波片转过360°，能观察到几次消光？
若1/2波片固定，
将检偏器转过360。
，能观察几次消光？
由此分析线偏振光通过1/2波片后，光的偏振状态是怎样的？
3.1/4波片的光学特性
圆偏振光和椭圆偏振光的产生与检验
（1）在实验1基础上,旋转检偏器使激光完全不能通过，进入消光状态.
（2）在起偏器和检偏器之间插入1/4波片。
这时可能有部分光通过检偏器
（3）旋转1/4波片，使系统重新进入消光状态。
（4）记下消光状态时的1/4波片方位角度.
（5）旋转检偏器记录下光强的变化（对理想状态光强应无较大变化，近似为一圆偏振光）.
以系统消光状态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R转动一周,根据你看到的光斑明暗变化情况，记入下面的表格中，并对P2的出射光偏振态
分别作出判断。
表用1/4波片观察光强变化表
1/4波片转
角
P2转一周,
透射光强是否变化？
P2转一周,
出现几次消光？
出射光偏振态
0°
:
15°:
30°
45°
60°
75°
90°
4.半导体激光器的偏振特性
（1）在实验1的基础上取下起偏器•
（2）旋转检偏器，记录功率最大值和最小值，以及所对应的角度，以此求出半导体激光的偏振度.
偏振度P=（lmax-lmin）/（Imax+lmin）。
I为某一方向上的光强。
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进行比较，并作出结论。
表观察光波变化表
偏振片
P转一周,透射光强是否变化？
P转动一周，出现几次消光？
入射光偏振态
放一个
放二个
5.物质的旋光特性
（1）在实验1基础上,旋转检偏器，使系统进入消光状态•
（2）将旋光晶体放入起偏器和检偏器之间，观察检偏器后的透光情况.
（3）旋转检偏器，使系统再次进入消光状态.记录下旋转的角度.求出晶体的旋光率.
五.【预习思考题】
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那些？
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？
【思考题】
1•求下列情况下理想起偏器和理想检偏器两个光轴之间的夹角为多少？
（1）透射光是入射自然光强的1/3。
（2）透射光是最大透射光强度的1/3。
2.如果在互相正交的偏振片P1和P2中间插进一块1/4波片，使其光轴跟起偏器
P1的光轴平行，那么透过检偏器P2的光斑是亮的？
还是暗的？
为什么？
将P2转
动90°后，光斑的亮暗是否变化？
为什么？
3.在第2题中用1/2波片代替1/4波片，情况如何?
使光电接收器的接收光功率最大，以此位置作为初始转角（9=0°）o记录不同转角时的接收光功率。
旋转检偏器,转动检偏器,
9
0°
15°
30°
45°
60°
75°
90°
I（mW
2
Iocos9
Er
3.线偏振光通过1/2波片时的现象和1/2波片的作用（图3）
附件：
参考表格
“光的偏振实验”参考表格
实验内容:
2.验证马呂斯定律（l=locos29）（图2）
邀光耀
C=D
P1
P2
厂光电接收器
）C3
先使检偏器与起偏器正交，在光屏上呈现消光现象。
然后插入并转动1/2波片，
使再次出现消光现象，此时为初始角度。
再将1/2波片旋转10，破坏消光，然后转动检偏器至消光位置。
记下检偏器所转过的角度。
依次类推，将1/2波片转
动不同角度，记下消光时检偏器所转过的角度。
1/2波片转角
0°
10°
20°
30°
40°
50°
60°
70°
80°
90°
检偏器转角
若检偏器固定，将1/2波片转过360°,能观察到几次消光？
若1/2波片固定，将检偏器转过360°，能观察到几次消光？
由此分析线偏振光通过1/2波片后，光的偏振状态是怎样变化的
4.1/4波片的光学特性（图4）
旋转检偏器使系统进入消光状态。
然后在起偏器和检偏器之间插入1/4波片，这时可能有部分光通过检偏器。
旋转1/4波片，使系统重新进入消光状态。
以此位置为起点，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，观察出射光的强度变化，并对检偏器出射光的偏振态分别作出判断。
1/4波片转角
P2转一周，透射光强是否变化？
P2转一周，出现几次消光？
出射光偏振态
0°
15°
30°
45°
60°
75°
90°
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