偏振光的观测与分析试验讲义（内容有变更请参考附件）试验讲义

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偏振光试验（初稿）

试验目的：

测量通过起偏器、1/4波片后的光的偏振特性，了解线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光的特点。

试验仪器

北京方式偏振光试验仪

试验原理：

1、偏振光

光是一种横波，它的振动方向是与传播方向相互垂直的。偏振是指光波的振动方向在空间上的一种相对取向的现象。当这个振动方向在垂直于传播方向的平面内可取所有可能的方向，并且没有一个方向占优势时，我们称之为自然光或非偏振光。而假使有某一个方向上的振动占优势时，则称之为部分偏振光。只有一个单一的振动方向的光叫线偏振光，而在一个振动周期内其振动矢量端点的轨迹为一个圆或椭圆时，我们称之为圆偏振光或椭圆偏振光。

在我们日常生活和工作中，太阳光、照明用光一般多为自然光。而自然光经过一些材料的反射和透射后可能变成部分偏振光。自然光经过一些特别材料，如偏振片或双折射晶体材料制作的棱镜后，就会变成线偏振光，一些激光器也可产生很好的线偏振光。线偏振光经过波片后又可能成为椭圆偏振光。

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在本试验中，我们将通过多种试验手段来产生线偏振光和椭圆偏振光（其实线偏振光和圆偏振光都可看成是椭圆偏振光的一个特例）。偏振光的数学描述：

对于线偏振光和椭圆偏振光，在数字上我们常用两个相互垂直振动的合成来描述。在垂直于光传播方向的平面内取一个直角坐标系，将代表振动特性的电矢量E分解成Ex和Ey，它们是同频ω，假设相位相差δ，振幅分别为Ex和Ey，即Ex=AxCosωtEy=AyCos（ωt＋δ）消去t，上式可变成

EX2/AX2+EY2/AY2-2EXEY/AXAYCOSδ=SIN2δ这是一个椭圆的方程

当δ=0或π时，sinδ=0cosδ=1上式为

EX2/AX2+EY2/AY2±2EXEY/AXAY=0EX=±AXEY/AY

这是一个线性方程：斜率为±AX/AY，振幅为（AX2+AY2）1/2它代表一束线偏振光

当δ=±π/2时，sin2δ=1cosδ=0，椭圆方程变为：EX2/AX2+EY2/AY2=1这是一个标准的椭圆方程，其主轴在X、Y方向。当AX=AY时，就是一个圆的方程，代表一个圆偏振光。

垂直合成分析法与我们在力学的分析中所用到的力的合成与分解有

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些相像，这种分析方法在偏振光的分析中十分实用和有效，下面我们用该方法来分析波片的作用。波片

波片是一种采用具有双折射现象的材料（如方解石晶体，石英晶体等）按一定技术要求加工而成的光学元件。这种材料具有这样一种光学特性：当一束光进入这种材料时可能会分成两束，这两束光的传播方向、振动方向和速度将有所不同，一束符合我们所知道的折射定律，如垂直入射时光束方向不变，但另一束却不符合这个规律。我们分别将这两束光称为O光和E光，对应的折射率分别为no和ne。在这种晶体中还存在一个特定的方向，当光从这个方向上进入材料时不会分成两束，符合一般的折射定律，这个特别的方向就是材料的光轴方向。波片在加工时，将使通光表面平行于光轴，即入射光将垂直于光轴进入波片。下面我们来看一下，一束线偏振光经过这样一个波片会发生什么状况。

现在假设一束线偏振光以偏振方向同波片光轴成θ角的状态垂直入射于波片。这时会发生一种比较特别的双折射现象，即O光和E光传播方向一致，但传播速度不同，设入射光的振幅为A，用垂直合成的方法，将进入波片的光按光轴平行和垂直的两个方向分解成Ex和Ey，则：Ex=AcosθCosωt

Ey=ASinθCos（ωt＋δ）其中δ为由于光速不同而产生的相位差。

当光经过波片，出射后，两束光合成在一起，速度一致，根据上面的分析，我们将得到一束椭圆偏振光，

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AX=AcosθAY=ASinθ

而此时的相位差δ是由于O光、E光在双折射材料中的速度（或波长）不同造成的。假使我们使波片的厚度正好产生900相位差（相当于1/4个波长），并使θ=450则有EX2+EY2=A2/2这是一个圆的方程。

可产生900相位差的波片，我们称之为四分之一波片。

由以上分析可见，当我们使一束线偏振光经过波片时，我们可以得到一束椭圆偏振光。而经过一个1/4波片，且光轴方向与偏振方向恰好成450角时，我们可以得到一个圆偏振光。

马吕斯定律

起偏器

检偏器

线偏振光（偏振方向与

.自然光...线偏振光检偏器透振方向一致）

透振方向

图2偏振器

起偏器和检偏器一般总是协同使用的。旋转检偏器，改变其透振方向，可以观测到入射光线的强度变化。

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马吕斯定律定量描述了光线经过偏振器前后的强度关系，可以表述为：

当自然光入射到起偏器P1，其出射的线偏振光光强度为I1，再经过检偏器P2后的出射光强度为I2，若P1、P2的透振方向夹角为α，则有：I2=I1·cosα（未考虑P2的吸收）

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试验设备：

北京方式偏振光试验仪，包括光学试验导轨、滑块、半导体激光器、光学转台，转接杆和光功率计等。仪器示意图如图1。

半导体激光器偏振片1/4波片光学转动平台偏振片功率计探头图1北京方式偏振光试验仪试验内容和步骤1，验证马吕斯定律

1。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。

1。2，靠近激光器参与一个偏振片，将功率计探头接入功率计。1。3，功率计清零：关闭激光器，调理功率计调零旋钮使功率计读数为零。

1。4开启激光器，转动偏振片，观测功率计上读数，中止在一个

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小于1的较大的读数上（可选适当档位）。

1。4，靠近功率计探头处参与另一个偏振片，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。

1。5，沿同一方向转动检偏器，每转15度记录功率计读数。2，观测光的偏振特性

2。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。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。2。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。

3数据处理

3。1，将记录的实测角度分别减去W（W=I90-第一个实测角度I的绝对值）后填入表中“换算角度〞栏，即功率计读数为0时，检偏器和起偏器的通光方向相互垂直。

3.2，验证马吕斯定律，在坐标纸上画出马吕斯定律的理论曲线和实测值的拟合曲线，作出比较和探讨。

3.3，判断偏振光的类型，将表2数据画到同一坐标纸中，用表9的标准判断1/4波片转动不同实测角度时的出射光的偏振状态并作出

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探讨。

表1验证马吕斯定律数据记录表

12345678910实测+30+60+90+135+180+225+270+315+345角度换算9012015018022527031504575角度实测能量值理论能量值

表21/4波片消光位置偏振光特性数据记录表

波片初始位置第一极值其次极值第三极值第四极值偏振类型位置角度/功率角度/功率角度/功率角度/功率角度/功率消光+15+30+45+60+75+90

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表3光偏振检验表

偏振光的检验令入射光顺序通过起偏器、1/4波片、检偏器，改变检偏器的透振方向，观测透射光强的变化现象结论强度有变化，有消光线偏振强度无变化，无消光圆偏振强度有变化，无消光椭圆偏振

附：激光功率计使用说明书

OPT-1A型激光功率指示计是一种数字显示的光功率测量仪器，采用硅光电池作为光传感器，针对650nm波长的激光进行了标定，用于测量该波段的激光功率。如图：前面板

1、表头：3位半数字表头，用于显示光强的大小。

2、量程选择钮：分为200uW、2mW、20mW、200mW四个标定量程和可调

档；测量时尽量采用适合的量程，如测得的光强为1.732mW，则采用2mW量程。可调档显示的是光强的相对值。

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3、调零：调零时应遮断光源，旋动调零旋钮，使显示为零，调零完

毕。后面板

探头

探头12档光栏盘

说明：

1、该光探头在硅光电池前加上一多结构光栏，可用于光斑定位，光强分布、光斑结构测量等。

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2、结构分别为圆孔和细缝；圆孔直径为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、6.0mm，缝宽0.2、0.3、0.4、0.8、1.2mm。

3、在使用时，用此探头与OPT-1A型激光功率指示计连接即可，用户根据实际测量需要，采用相应的采光档位（硅光电池置于光栏正上方）。

1、2、

电源开关按钮：电源开关（220VAC）。

LD插座：本功率指示计可作为我公司生产的半导体激光器的

电源。

3、4、

光探头插座：与光探头相连接。

探头：内置硅光电池，与光探头插座相连接。

使用方法：

1）连接好激光探头和220v电源（均在后面板上）2）开启后面板上的电源开关，数值表头亮

3）将激光探头对准被测的激光束，使光束进入测量孔。

4）根据光功率的大小选择适当的量程。量程刻度上的值为该量程可测量的最大值，如200μW是指该档最大测量200μW的激光功率，单位为微瓦，当光功率大于该档最大指示值时，表头溢出显示“1〞。

5）仪器量程分为200μW、2mW、20mW、200mW和可调档5