偏振光实验（六）

实验目的

  1、 观察光的偏振现象，加深偏振的基本概念；

  2、 验证马吕斯定律；

  3、 观察光以布韦斯特角度入射的偏振现象；

  4、 观察波片现象，加深拨片的基本概念。

实验原理

  1、 光的偏振性

    光是一种电磁波，由于电磁波对物质的作用主要是电场，故在光学

中把电场强度 E 称为光矢量。在垂直于光波传播方向的平面内，光矢量

可能有不同的振动方向，通常把光矢量保持一定振动方向上的状态称为

偏振态。如果光在传播过程中，若光矢量保持在固定平面上振动，这种

振动状态称为平面振动态，此平面就称为振动面（见图１）。此时光矢

量在垂直与传播方向平面上的投影为一条直线，故又称为线偏振态。若

光矢量绕着传播方向旋转，其端点描绘的轨道为一个圆，这种偏振态称

为圆偏振态。如光矢量端点旋转的轨迹为一椭圆，就成为椭圆偏振态（见

图 2）。

2、偏振片

    虽然普通光源发出自然光，但在自然界中存在着各种偏振光，目前广泛使

用的偏振光的器件是人造偏振片，它利用二向色性获得偏振光（有些各向同性介

质，在某种作用下会呈现各向异性，能强烈吸收入射光矢量在某方向上的分量，

而通过其垂直分量，从而使入射的自然光变为偏振光介质的这种性质称为二向色

性。）。偏振器件即可以用来使自然光变为平面偏振光——起偏，也可以用来鉴

别线偏振光、自然光和部分偏振光——检偏。用作起偏的偏振片叫做起偏器，用

作检偏的偏振器件叫做检偏器。实际上，起偏器和检偏器是通用的。

3、布儒斯特角

    当光从折射率为n₁的介质（例如空气）入射到折射率为n₂的介质（例如玻璃）交界面，而入射角又满足

                   

时，反射光即成完全偏振光，其振动面垂直于入射面。i_B称布儒斯特角，上式即布儒斯特定律。显然，θ_B角的大小因相关物质折射率大小而异。若n₁表示的是空气折射率，（数值近似等于1）上式可写成

                      

            

4、马吕斯定律

     如果光源中的任一波列（用振动平面E表示）投射在起偏器P上（如下图），只有相当于它的成份之一的E_y（平行于光轴方向的矢量）能够通过，另一成份E_x（=E cosθ）则被吸收。与此类似，若投射在检偏器A上的线偏振光的振幅为E₀，则透过A的振幅为E₀ cosθ（这里θ是P与A偏振化方向之间的夹角）。由于光强与振幅的平方成正比，可知透射光强I随θ而变化的关系为

这就是马吕斯定律。

                      

5、波片

     若使线偏振光垂直入射一透光面平行于光轴，厚度为d的晶片，此光因晶片的各向异性而分裂成遵从折射定律的寻常光（o光）和不遵从折射定律的非常光（e光）。因o光和e光

在晶体中这两个相互垂直的振动方向有不同的光速，分别称做快轴和慢轴。设入射光振幅为A，振动方向与光轴夹角为θ，入射晶面后o光和e光振幅分别为Asin θ和Acos θ,出射后相位差

式中λ₀是光在真空中的波长，n_o和n_e分别是o光和e光的折射率。

这种能使相互垂直振动的平面偏振光产生一定相位差的晶片就叫做波片。

     如果以平行于波片光轴方向为x坐标，，垂直于光轴方向为y坐标出射的o光和e光可用两个简谐振动方程式表示：

该两式的合振动方程式可写成

一般说来，这是一个椭圆方程，代表椭圆偏振光。但是当

       （k＝1、2、3…）或

       （k＝0、1、2…）

时，合振动变成振动方向不同的线偏振光。后一种情况，晶片厚度

可使o光和e光产生（2k+1）λ/2的光程差，这样的晶片称做半波片,而当

      （k＝1、2、3…）

时，合振动方程化为正椭圆方程

这时晶片厚度，称做1/4波片。它能使线偏振光改变偏振态，变成椭圆偏振光。但是当入射光振动面与波片光轴夹角θ＝45°时，A_e＝A_o，合振动方程可写成                           

即获得圆偏振光。

实验内容和步骤

 1、偏振光显示的观察

 1.1起偏与检偏鉴别自然光与偏振光

  （1）在光源至光屏的光路上插入起偏器P₁，旋转P₁，观察光屏上光斑强度的变化情况。

  （2）在起偏器P₁后面再插入检偏器P₂，固定P₁方位，旋转P₂，旋转360°，观察光屏上光斑强度的变化情况。有几个消光方位？

  （3）以硅光电池代替光屏接收P₂出射的光束，旋转P₂，每转过10°记录一次相应的光电流值，共转180°，在坐标纸上作出I₀～cos²关系曲线。

 1.2验证马吕斯定律

  （1）在导轨两端分别安装半导体激光器和功率计探头，使激光束等高进入功率计探头的6毫米光阑孔。

  （2）靠近激光器加入一个偏振片，将功率计探头接入功率计。

  （3）功率计清零：关闭激光器，调节功率计调零旋钮使功率计读数为零。

  （4） 打开激光器，转动偏振片，观察功率计上读数，停止在一个小于1的较大的读数上（可选适当档位）。

  （5）靠近功率计探头处加入另一个偏振片，作为检偏器用，转动检偏器，当功率计读数恰好出现零时停住。记录检偏器上实测角度和功率计读数。

  （6）沿同一方向转动检偏器，每转15度记录功率计读数。

2，观测波片现象

  2.1分析1/4波片的作用

    先使线偏振光的偏振面P与检偏器A的光轴正交（这时通过A的光强显示最小），然后在两个偏振棱镜之间加入1/4波片Q，并转动Q，直到通过A的光强恢复到最小。从此位置每当Q转动15°，30°，45°，60°，75°和90°时，都将A转动360°，

（1） 转动检偏器使重新使系统进入功率计读数为零的消光状态，在起偏器和检偏器之间插入1/4波片。此时系统将可能有光通过。转动1/4波片，使系统重新进入消光状态。此时1/4波片的光轴与起偏器的偏振方向平行。

       （2）转动1/4波片15度，记录功率计读数和检偏器角度后，转动检偏器360度，  记录其中功率计极值读数和对应的检偏器实测角度。

  （3）沿同一方向以每次15度的间隔转动1/4波片，重复2。2的操作。

  2.2观察线偏振光通过1/2波片时的现象（在前面实验的基础上进行）

（1）固定起偏器，转动检偏器至消光位置并固定不动。

（2）在起偏器与检偏器之间插入1/2波长片。

（3）转动1/2波长片一周，能看到几次消光？

（4）转1/2波长片，并在“出光”一侧观察直至出现消光现象。记下此时1/2波长片与检偏器的角度值。

（5）转动1/2波长片，其角度α = 15°，此时，消光被破坏，在转动检偏器至消光位置，再记下此时1/2波长片与检偏器的角度值。

（6）继续进行类似的调节，使得1/2波长片转过的角度依次为30°，45°，60°，75°和90°，相应的调节检偏器至消光位置，记下此时的角度值。

注意事项

    功率计的显示有一定的迟疑，调节检偏器是应缓慢调节，在需记录，观察时，务必仔细、缓慢调节。

第二篇：偏振光实验系统说明书

SGP--2／3型偏振光实验系统使用说明书

1用途   

    SGP--2型偏振光实验系统是一套非联机使用的偏振光实验仪器，适用于大专院校物理实验课分组实验。

  2器件简介   

3、实验举例

3．1反射和折射起偏振——布儒斯特角．

    当自然光倾斜地投射到两种介质(例如空气和玻璃)分界面时，反射光和透射(折射)光一般都是部分偏振光。当光束的入射角等于布儒斯特角时，折射定律可简化为       

这就是布儒斯特定律。此时的反射光只有垂直于入射面的偏振分量，而平行于入射面的分量消失为零。

3.1.1方法之一  

将高亮度小光源、狭缝板、凸透镜( =1 50mm)、光学测角台分别装在机座导轨的滑动座上，调等高同轴，并使狭缝位于透镜的焦平面上；黑玻璃镜装在光学测角台中央；对准偏振轴方向的偏振片架装在转动臂上。当，时，转动检偏器就能观察到垂直于入射面的光振动被消除的现象(如图3．1)。此时若使光束入射玻璃片堆，只要将转臂转动，用检偏器对准透过玻璃片堆的折射光束，再旋转检偏器，即可发现折射光束是近乎全偏振的。

3．1．2方法之二(限SGP--2型用)

    在光具座上，由氦氖激光器发出的光束擦盘直接入射到立在光学测角台直径上的黑玻璃镜面，先转动测角台，使反射光束原路返回，由此定出入射光束的零度方位，然后再从入射角为。范围内寻找反射光束通过检偏器后，光强变到最小(甚至为零)时的角度(器件布置示于图3-3)。这里的检偏器是一个能在支架上转动的偏振片，支架锁紧在测角台的转动臂上。用检偏器检查任一反射光束，都是偏振光，在改变入射角的过程中，检偏器透振轴指向水平方向(为什么?)。检偏器后安装光电探头。实验中入射角在每增加，相应转动接收臂记录一次光电流读数。用所得数据，以反射偏振光相对光强(％)为纵坐标，以角度为横坐标作图，即得一反射偏振光强度与入射角的关系曲线。

3．1．3方法之三(限SGP--2型用)

    按图3．3所示在光具座上布置光路。使氦氖激光器发出的光束通过一个偏振轴为水平方向的起偏器之后，照射立在光学测角台上的黑玻璃镜，转动测角台，使反射光束原路返回，以此位置为零度，再转动测角台，使入射角约达。时锁紧度盘，利用滑动座升降微调装置适当降低测角台，然后放松转动臂，在光电探头随着转臂缓慢转动过程中测量反射光的相对光强。经反复观测，找到反射光为最暗(甚至为零)的位置，此时的入射角就是布儒斯特角。也可以逐步改变入射角，用光电探测器测反射方向的相对光强，画出曲线以确定。

3．2马吕斯定律(限SGP--2型用)

    如果光源中的任一波列(用振动平面E表示)投射在起偏器P上(图3．4)，只有相当于它的成分之一的Ey，(平行于光轴方向的矢量)能够通过，另一成分则被吸收。若投射在检

偏器A上的线偏振光的振幅为E0，则透过A的振幅为 (这里是P与A偏振方向之间的夹角)。由于光强与振幅的平方成正比，所以透射光强I随而变化的关系为  

这就是马吕斯定律。

  实验内容：让激光束垂直通过起偏器成为偏振光，用检偏器检查时，使两个偏振器的透振方向的夹角在从转动一周的过程中，用连接光电流放大器的光电探头测量透射光强的相对值I，每读取一次数据。然后画出关系曲线。图3-5是将实验数据输入计算机、打印出的关系曲线。

3．3半波片的作用

    光束进入双折射晶体时被分成符合折射定律的寻常光(o光)和不符合折射定律的非常光(e光)。o光和e光都是偏振光，但在晶体内有不同的波速，因此通过厚度一定的晶片时光程也不同。设晶片厚度为d，二光束通过晶片后就有相位差  

  式中表示光的波长，和表示该晶片对。光e光的折射率。使 （k=0，……）的波片称半波片，它能使o光和e光发生相位差（符合  （k=0，……）条件的波片称1/4波片)。波片的光轴平行于晶片的表面，在圆上用短线标出。

    实验：激光束通过起偏器P变成线偏振光，再经过扩柬器B，将检偏器A的透振方向定在屏C上光斑为最暗的角度上，然后在B和A之间加入半波片H(图3-6)。使H绕水平轴转动，同时观察C上发生消光现象的次数并作解释；再进一步，使激光的入射面与检偏器正交，加入H后，将其旋转到c上消光位置，从该位置开始，将H、分别转动和，相应地将A逐次转到消光位置，列表记录每次A需要转动的角度。从实验结果总结出平面偏振光通过半波片后，振动面的变化规律，并予以解释。

3．4  1／4波片与椭圆偏振光、圆偏振光

    当振幅为A的面偏振光入射到石英晶体做成的波片时，若振动方向与波片光轴夹角，在直角坐标系内，o光和e光的振幅分别为和。从波片出射后的o光和e光的振动可以用两个互相垂直、同频率，有固定相位差的简谐振动方程表示，二者的合振动方程为椭圆方程，合振动矢量的端点轨迹一般为椭圆(如图3．7所示)，所以称作椭圆偏振光。

其中有个特殊情况，  即，o光和e光振幅相等，合振动矢量的端点轨迹是圆，椭圆偏振光退化为圆偏振光，用检偏器检验，波片的透射光强是不变的。

    实验：光路与图3-5似，只是更换了波片。使通过P和B的线偏振光与A正交，C上光斑达到最暗，然后在B和A之间加入1／4波片Q，直到C上光斑最暗，从这个消光位置开始，每当Q转动和时，都将A转动。根据屏上或光电接收装置显示的光强变化记录，可以判断1／4波片透射光的偏振态(限于平面偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光)。

3．5二向色性起偏振(SGP-3型用)

    有些晶体材料对自然光在其内部产生的偏振分量具有选择吸收作用，这种现象称作二向色性。振片是人造的具有二向色性的常用偏振器件。长链聚合物中掺入细微的针状二向色晶体，受拉伸作用，并加以化学处理，使其分子固定排列取向。因此能够透过高度偏振化的光波。 

    实验：将发光二极管小光源L用干版架和滑动座支起来，连接发光管的整流变压器插入20V插座。使小光源发出的自然光通过架好的偏振片P起偏振(为方便起见，使偏振片的透振方向竖直)。试验将P转动，同时用眼睛直接观察光强是否有变化。然后用架好的另一偏振片A平行于P做检偏器，将A转动，观察并分析透射光强的变化规律(如图3-8所示)。

4安全提示

    切勿用眼睛直视激光器的轴向输出光束，以免视网膜受到永久性的伤害。

5选购件   

5．1玻璃片堆   

    玻璃片尺寸：76*25mm。可用于反射和折射起偏振实验。

5.2 冰洲石  

    带转动套，可配合偏振片波片架使用，做晶体双折射实验。

5．3旋光液体槽及支架      

    液槽长0.8mm可用于测液体旋光物质的旋光本领(比旋光

率)或溶液浓度。