观测光的偏振

观测光的偏振张春梅物理实验教研室

1808年马吕斯发现了光的偏振现象，对于光的偏振现象的深入研究，证明了光波是横波，使人们进一步认识了光的本性。随着科学技术的发展，偏振光元件，偏振光仪器和偏振光技术在各个领域都得到了很多应用，尤其在实验应力分析、计量测试、晶体材料分析、簿膜和表面研究、激光技术等方面更为突出。

背景实验内容1:根据马吕斯定律测定硅光电池的线性响应2:线偏振光，圆偏振光和椭圆偏振光的观测3:根据布德斯特角定律，测定介质材料（例如有机玻璃)

的折射率一:实验原理1:马吕斯定律2:布儒斯特角定律3:1/2和1/4波片一:马吕斯定律

如上图所示，当自然光（或部分偏振光）通过起偏器后，形成强度为I0的线偏振光，振动方向为起偏器的透振方向。保持起偏器P1的方位固定不变，改变检偏器P2的角度，设检偏器与起偏器的透振方向夹角为θ，那么最后的透射光光强为即光强I随θ而改变

,这就是马吕斯定律.·······n1n2iir·自然光反射和折射后产生部分偏振光······n1n2i0i0r0线偏振光··S起偏振角··二:布儒斯特角定律

当自然光在两种各向同性媒质的分界面上反射和折射时，反射光和折射光一般不再是自然光，而是部分偏振光。如上图(左)所示,在反射光中，s分量(振动方向垂直于入射面)多于p分量(振动方向平行于入射面)，在折射光中，p分量多于s分量。理论和实验都证明，反射光和折射光的偏振化程度与入射角有关。当入射角等于某一特定角i0时，反射光只有s分量，是完全的线偏振光（如下图所示）。这特定角i0称为布儒斯特角(也称起偏振角)。

布儒斯特定律

(1812年)

根据布儒斯特角定律，在实验中，当入射光只有p分量时，改变光的入射角，当反射光的光强为零时，即可确定布儒斯特角，并由上式可求得待测介质材料的折射率。

如果一束波长为λ，电矢量平行于入射面的平面偏振光（只有p分量）从折射率为n1中以布儒斯特角入射到折射率为n2的介质表面上时，则该界面上光的反射系数为零，入射光将全部进入介质内，此时三：波片介绍１：波片------相位延迟片波（晶）片是光轴平行表面的晶体薄片ydxAAoAe线偏振光光轴λAAoAe光轴P

如上图（左）所示，一束单色平面偏振光垂直入射到一块波片上。当偏振光的电矢量振动方向和晶片的光轴成角时，光分解为非常光（e光）和寻常光（o光），其中o光的光振动垂直于主截面，e光的振动位于主截面内。虽然非常光（e光）和寻常光（o光）在晶片内的传播方向一致，但它们在晶体中的传播速度却不相同。于是e光和o光通过晶片后，它们之间就产生固定的图位相差δ，即：式中λ为单色光的波长，l为晶片的厚度，ne和no分别是e光和o光的折射率。

振幅关系：

通过厚为d的晶片，o、e光产生相位差相位关系：

对波长为λ的单色光，如晶片厚度满足δ=(2k+1)π，

k=0，1，2，3，…，则该晶片称为对波长为λ光的1/2波片。对波长为λ的单色光，如晶片厚度满足δ=(2k+1)π/2，

k=0，1，2，…，则该晶片称为对波长为λ光的1/4波片。

２：1/2和1/4波片

(1)四分之一波片——线偏振光→圆偏振光——线偏振光→线偏振光从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）——线偏振光→椭圆偏振光(2)二分之一波片使线偏振光振动面转过2角度A0入A0出A入A出Ae入=

Ae出入光轴二：实验仪器半导体激光器(产生部分偏振光)偏振片两片1/4波片两片1/2波片一片光电探测器,光电流放大器有机玻璃一块。三:实验步骤1:根据马吕斯定律测定硅光电池的线性响应P1光源DP2P1：起偏器；P2：检偏器；D：光强检测器I0I上图为实验所需光路图,实验时,首先转动P1和P2,使它们透振方向的夹角θ为90º,此时可观察到消光现象.之后转动检偏器,依次转过不同的角度,将相应的光电流读值填入实验表格.Φ（θ）θ90.0060.0045.0030.000.00cos2θ0.000.250.500.751.00i（θ）其中i(θ)为光电流计读数，Φ（θ）为检偏器的度盘示值测定硅光电池的线性响应的实验数据表格:2:线偏振光，圆偏振光和椭圆偏振光的观测P1P1：起偏器；P2：检偏器；P:波片;D：光强检测器光源DP2I0IP实验光路图（1）1/2波片：1：按光路图放置各个元件，并使起偏器和检偏器的透振方向互相垂直，此时可观察到消光现象（即电流表读数最小）.2：在起偏器和检偏器之间加入1/2波片。转动波片，观察电流表的读数的变化，分析原因。3：转动波片直至电流表读数最小，记下此时波片的分度盘所指示的角度，并设此位置为初始位置。4：以初始位置为准，将波片顺时针转动30º，然后同方向转动检偏器，读出达到消光时检偏器所转过的角度。5：以初始位置为准，将波片依次顺时针转动45º，60º，90º，记录达到消光时，检偏器对应转过的角度。6：若1/2波片固定不动，将检偏器转动360º，能观察到几次消光？解释实验的结果7：由此分析通过1/2波片之后，线偏振光有何变化。1:按光路图放置各个元件，转动检偏器使起偏器和检偏器的透振方向互相垂直。2:在起偏器和检偏器之间加入1/4波片，转动波片直至电流表读数最小，设此时波片分度盘所指示的位置为初始位置。3:以初始位置为准，将波片转动45º，然后转动检偏器，分析通过1/4波片后光的偏振状态。4:重复1和2两个步骤，将波片转动30º，然后转动检偏器一周，观察电流表读数的变化情况，结合理论分析此时通过波片后光的偏振状态；记录电流表读数最大和最小时的读数，计算它们的比值，并分析理论值与实验值的相对误差。（2）1/4波片：3:根据布德斯特角定律，测定有机玻璃的折射率有机玻璃步骤:1:按上图调整好光路,确定起偏器的方位，在此方位时，使入射到样品表面的入射光（即起偏后的偏振光）的偏振方向恰好为p分量．2:转动样品面使反射光的反射角在500－600之间变化。仔细观察屏上反射点的强弱变化,选定反射点最暗的位置.此时对应的入射角θB，即为布儒斯特角.3:根据布儒斯特定律计算出有机玻璃的折射率.注意事项1：由于光源为部分偏振光，因此实验时应转动起偏器，使光强达到较大的位置。2：观察前应调节整个光学系统，使之共轴，并尽量满足使