偏振光的研究一、实验简介光的偏振是指光的振动方向不变，或电失量未端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆的现象.光的偏振最早是牛顿在1704～1706年间引入光学的；光的偏振这一术语是马吕斯在1809年首先提出的，并在实验室发现了光的偏振现象；麦克斯韦在1865～1873年间建立了光的电磁理论，从本质上说明了光的偏振现象：按电磁波理论，光是横波，它的振动方向和光的传播方向垂直.因此可以分为五种偏振态：自然光（非偏振光）、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。通过对偏振光的研究人们发明和制造了一些偏振光的元件，如偏振片、波片和各种棱镜等。利用光的偏振现象在物理学方面可测量材料的厚度和折射率，可以了解材料的微观结构。利用偏振光的干涉现象在力学上可检测材料应力分布，应用于建筑工程学方面可以检测桥梁和水坝的安全度。二、实验原理为了研究光的偏振态和利用光的偏振特性进行各种分析和测量工作，需要各种偏振元件：产生偏振光的元件、改变光的偏振态的元件等，下面分类介绍。1.产生偏振光的元件在激光器发明之前，一般的自然光源产生的光都是非偏振光，因此要产生偏振光都要使用产生偏振光的元件。根据这些元件在实验中的作用，分为起偏器和检偏器。起偏器是将自然光变成线偏振光的元件，检偏器是用于鉴别光的偏振态的元件。在激光器谐振腔中可以利用布儒斯特角使输出的激光束是线偏振光。将自然光变成偏振光的方法有很多，一个方法是利用光在界面反射和透射时光的偏振现象。我们的先人在很早就已经对水平面的反射光有所研究，但定量的研究最早在1815年由布儒斯特完成。反射光中的垂直于入射面的光振动（称s分量）多于平行于入射面的光振动（称p分量）：而透射光则正好相反。在改变入射角的时候，出现了一个特殊的现象，即入射角为一特定值时，反射光成为完全线偏振光（s分量）。折射光为部分偏振光，而且此时的反射光线和折射光线垂直，这种现象称之为布儒斯特定律。该方法是获得线偏振光的方法之一。如图1所示。tgio = sinilo = sinle = ",若ni=1(为因为此时i+=nsinio=nzsiny,cosiosinyni空气的折射率），则nz = tgio
偏振光的研究 一、实验简介 光的偏振是指光的振动方向不变，或电矢量末端在垂直于传播方向的平面上 的轨迹呈椭圆或圆的现象.光的偏振最早是牛顿在1704～1706年间引入光学的； 光的偏振这一术语是马吕斯在1809年首先提出的，并在实验室发现了光的偏振现 象;麦克斯韦在1865～1873年间建立了光的电磁理论,从本质上说明了光的偏振 现象 .按电磁波理论,光是横波，它的振动方向和光的传播方向垂直.因此可以分 为五种偏振态：自然光（非偏振光）、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆 偏振光。 通过对偏振光的研究人们发明和制造了一些偏振光的元件，如偏振片、波片 和各种棱镜等。利用光的偏振现象在物理学方面可测量材料的厚度和折射率，可 以了解材料的微观结构。利用偏振光的干涉现象在力学上可检测材料应力分布， 应用于建筑工程学方面可以检测桥梁和水坝的安全度。 二、实验原理 为了研究光的偏振态和利用光的偏振特性进行各种分析和测量工作，需要各 种偏振元件：产生偏振光的元件、改变光的偏振态的元件等，下面分类介绍。 1．产生偏振光的元件 在激光器发明之前，一般的自然光源产生的光都是非偏振光，因此要产生偏 振光都要使用产生偏振光的元件。根据这些元件在实验中的作用，分为起偏器和 检偏器。起偏器是将自然光变成线偏振光的元件，检偏器是用于鉴别光的偏振态 的元件。在激光器谐振腔中可以利用布儒斯特角使输出的激光束是线偏振光。 将自然光变成偏振光的方法有很多，一个方法是利用光在界面反射和透射时 光的偏振现象。我们的先人在很早就已经对水平面的反射光有所研究，但定量的 研究最早在1815年由布儒斯特完成。反射光中的垂直于入射面的光振动（称s分 量）多于平行于入射面的光振动（称p 分量）；而透射光则正好相反。在改变入 射角的时候，出现了一个特殊的现象，即入射角为一特定值时，反射光成为完全 线偏振光（s分量）。折射光为部分偏振光，而且此时的反射光线和折射光线垂直， 这种现象称之为布儒斯特定律。该方法是获得线偏振光的方法之一。如图1所示。 因为此时𝑖0 + 𝛾 = 𝜋 2 , 𝑛1𝑠𝑖𝑛𝑖0 = 𝑛2𝑠𝑖𝑛𝛾, tg𝑖0 = 𝑠𝑖𝑛𝑖0 𝑐𝑜𝑠𝑖0 = 𝑠𝑖𝑛𝑖0 𝑠𝑖𝑛𝛾 = 𝑛2 𝑛1 ，若𝑛1=1（为 空气的折射率），则 𝑛2 = 𝑡𝑔𝑖0
XP分量S分量+n1n2图1布儒斯特定律原理图i叫做布儒斯特角，所以通过测量布儒斯特角的大小可以测量介质的折射率。由以上介绍可以知道利用反射可以产生偏振光，同样利用透射（多次透射）也可以产生偏振光（玻璃堆）。++图2格兰棱镜起偏、检偏原理第二种是光学棱镜，如尼科耳棱镜、格兰棱镜等，它是利用晶体的双折射的原理制成的。在晶体中存在一个特殊的方向（光轴方向），当光束沿着这个方向传播时，光束不分裂，光束偏离这个方向传播时，光束将分裂为两束，其中一束光遵守折射定律叫做寻常光（o光），另一束光一般不遵守折射定律叫做非寻常光（e光）。o光和e光都是线偏振光（也叫完全偏振光），两者的光失量的振动方向（在一般使用状态下）互相垂直。改变射向晶体的入射光线的方向可以找到光轴方向，沿着这个方向，o光和e光的传播速度相等，折射率相同。晶体可以有一个光轴，叫做单轴晶体，如方解石、石英，也可以有两个光轴，叫双轴晶体，如云母、硫磺等。包含光轴和任一光线的平面叫对应于该光线的主平面，o光电失量的振动方向垂直于o光主平面，e光电失量的振动方向平行于e光主平面。格兰棱镜由两块方解石直角棱镜构成，两棱镜间有空气间隙，方解石的光轴平行于棱镜的棱。自然光垂直于界面射入棱镜后分为o光和e光，o光在空气隙上全反射，只有e光透过棱镜射出。第三种是偏振片，它是利用聚乙烯醇塑胶膜制成，它具有梳状长链形结构分子，这些分子平行排列在同一方向上，此时胶膜只允许垂直于排列方向的光振动通过，因而产生线偏振光。它的偏振性能不如格兰棱镜，但价格便宜，且可以得到大面积的应用。本实验中采用偏振片作为起偏器和检偏器
图1 布儒斯特定律原理图 𝑖0叫做布儒斯特角，所以通过测量布儒斯特角的大小可以测量介质的折射率。 由以上介绍可以知道利用反射可以产生偏振光，同样利用透射（多次透射） 也可以产生偏振光（玻璃堆）。 图2 格兰棱镜起偏、检偏原理 第二种是光学棱镜，如尼科耳棱镜、格兰棱镜等，它是利用晶体的双折射的 原理制成的。在晶体中存在一个特殊的方向（光轴方向），当光束沿着这个方向 传播时，光束不分裂，光束偏离这个方向传播时，光束将分裂为两束，其中一束 光遵守折射定律叫做寻常光（o光），另一束光一般不遵守折射定律叫做非寻常光 （e光）。o光和e光都是线偏振光（也叫完全偏振光），两者的光矢量的振动方向 （在一般使用状态下）互相垂直。改变射向晶体的入射光线的方向可以找到光轴 方向，沿着这个方向，o光和e光的传播速度相等，折射率相同。晶体可以有一个 光轴，叫做单轴晶体，如方解石、石英，也可以有两个光轴，叫双轴晶体，如云 母、硫磺等。包含光轴和任一光线的平面叫对应于该光线的主平面，o光电矢量 的振动方向垂直于o光主平面，e光电矢量的振动方向平行于e光主平面。 格兰棱镜由两块方解石直角棱镜构成，两棱镜间有空气间隙，方解石的光轴 平行于棱镜的棱。自然光垂直于界面射入棱镜后分为o光和e光，o光在空气隙上 全反射，只有e光透过棱镜射出。 第三种是偏振片，它是利用聚乙烯醇塑胶膜制成，它具有梳状长链形结构分 子，这些分子平行排列在同一方向上，此时胶膜只允许垂直于排列方向的光振动 通过，因而产生线偏振光。它的偏振性能不如格兰棱镜，但价格便宜，且可以得 到大面积的应用。本实验中采用偏振片作为起偏器和检偏器
2.波晶片：又称位相延迟片，是改变光的偏振态的元件。它是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，由于波晶片内的速度v。，V。不同（所以折射率也就不同），所以造成o光和e光通过波晶片的光程也不同。当两光束通过波晶片后o光的位相相对于e光延迟量为，2 (n -n,)d4元若满足（ne一n。)d=m入±入/4，即△=2mπ±=我们称之为入/4片，若满足(ne一n）d=m±入/2，即△=2m±元，我们称之为入/2片，若满足(ne一n)d=m入±入，即△=2m±2元，我们称之为全波片（m为整数）。波晶片可以用来检验和改变光的偏振态，如图3所示，在起偏器后加上一个入/4波片，旋转起偏器或入/4波片就可以得到圆或者圆偏振光。入/4波片是椭偏仪中的重要元件，而椭偏仪可以精确测量薄膜的厚度和折射率，是材料科学研究中常用的精密仪器。4激光器光电探测器P1P2四分之一波片图3用入/4波片改变光的偏振态偏振光的研究从马吕斯定律开始，马斯定律也是最基本和最重要的偏振定律。马吕斯在1809年发现，完全线偏振光通过检偏器后的光强可表示为I = locos?g其中的是检偏器的偏振方向和起偏器偏振方向的夹角。3.光的五种偏振态自然光是各方向振幅相同的光，对自然光而言，它的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内可取所有可能的方向，没有一个方向占有优势.若把所有方向的光振动都分解到相互垂直的两个方向上，则在这两个方向上的振动能量和振幅都相等.线偏振光是在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿一个固定方向振动部分偏振光可以看作自然光和线偏振光混合而成，即它有某个方向的振幅占优势。圆偏振光和椭圆偏振光是光矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈圆或椭圆
2．波晶片： 又称位相延迟片，是改变光的偏振态的元件。它是从单轴晶体中切割下来的 平行平面板，由于波晶片内的速度vo ,ve 不同（所以折射率也就不同），所以造 成o光和e光通过波晶片的光程也不同。当两光束通过波晶片后o光的位相相对于e 光延迟量为， (no ne )d 2 若满足(𝑛𝑒 − 𝑛𝑜 )𝑑 = 𝑚𝜆 ± 𝜆/4，即Δ = 2mπ ± 𝜋 2 我们称之为𝜆/4片，若满足 (𝑛𝑒 − 𝑛𝑜 )𝑑 = 𝑚𝜆 ± 𝜆/2 ， 即 Δ = 2mπ ± 𝜋 ，我们称之为 𝜆/2 片，若满足 (𝑛𝑒 − 𝑛𝑜 )𝑑 = 𝑚𝜆 ± 𝜆，即Δ = 2mπ ± 2𝜋，我们称之为全波片（m为整数）。 波晶片可以用来检验和改变光的偏振态，如图3所示，在起偏器后加上一个 𝜆/4波片，旋转起偏器或𝜆/4波片就可以得到圆或者椭圆偏振光。𝜆/4波片是椭偏 仪中的重要元件，而椭偏仪可以精确测量薄膜的厚度和折射率，是材料科学研究 中常用的精密仪器。 图3 用𝜆/4波片改变光的偏振态 偏振光的研究从马吕斯定律开始，马吕斯定律也是最基本和最重要的偏振定 律。马吕斯在1809年发现，完全线偏振光通过检偏器后的光强可表示为 2 0 I I cos 其中的是检偏器的偏振方向和起偏器偏振方向的夹角。 3．光的五种偏振态 自然光是各方向振幅相同的光，对自然光而言，它的振动方向在垂直于光的 传播方向的平面内可取所有可能的方向，没有一个方向占有优势.若把所有方向 的光振动都分解到相互垂直的两个方向上，则在这两个方向上的振动能量和振幅 都相等.线偏振光是在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿一个固定方向振动. 部分偏振光可以看作自然光和线偏振光混合而成，即它有某个方向的振幅占优势。 圆偏振光和椭圆偏振光是光矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈圆或 椭圆
光的五种偏振态米米自然光线偏振光部分偏振光椭圆偏振光圆偏振光械圆偏振光的形成（两个互相垂直的振动的含成）E=Ecosat+α)E,=Ecosat+)精园方程式：ByE.ExEycos(a-a2)-sin(a1-α2)Bor?Eox2BoxEoyE（1-5-/2正插房子圆EoEw-Eo
三、实验内容1.研究入/4波片对偏振光的影响：本实验所用仪器有：光源、偏振片（2个）、入/4波晶片、光屏等。编波光偏自然光源长报报屏片片片ICLAB光路图（1）按光路图使偏振片A和B的偏振轴正交（消光）。然后插入一片入/4波片C（实际实验中要使光线尽量穿过元件的中心）。（2）以光线为轴先转动C使消光，然后使B转过360°观察现象。（3）再将C从消光位置转过15°、30°、45°、60°、75°、90°，每次都将B转过360°，观察实验现象。2.研究入/2波片对偏振光的影响：本实验所用仪器有：光源、偏振片（2个）、入/2波片、光屏等。波偏光偏自长然光源振报屏片片片ICA店B光路图（1）使偏振片A和B的偏振轴正交（消光），并在B和A之间再插入一个入/2波片C。（2）以光线为轴将入/2波片C转动任意角度破坏消光现象，再将B转动360°，观察消光现象。四、实验仪器五、实验指导六、思考题1．自然光和圆偏振光都可看成是两个等幅垂直偏振的合成，它们之间的主要区别是什么？部分偏振光和椭圆偏振光呢？七、参考资料
三、实验内容 1．研究λ/4波片对偏振光的影响： 本实验所用仪器有：光源、偏振片(2个)、λ/4波晶片、光屏等。 光路图 （1）按光路图使偏振片A和B 的偏振轴正交(消光)。然后插入一片λ/4波片 C(实际实验中要使光线尽量穿过元件的中心)。 （2）以光线为轴先转动C使消光，然后使B转过360°观察现象。 （3）再将C从消光位置转过15°、30°、45°、60°、75°、90°，每次都 将B转过360°，观察实验现象。 2．研究λ/2波片对偏振光的影响： 本实验所用仪器有：光源、偏振片(2个)、λ/2波片、光屏等。 光路图 （1）使偏振片A和B的偏振轴正交(消光)，并在B和A之间再插入一个λ/2波 片C。 （2）以光线为轴将λ/2波片C转动任意角度破坏消光现象，再将B转动360°， 观察消光现象。 四、实验仪器 五、实验指导 六、思考题 1．自然光和圆偏振光都可看成是两个等幅垂直偏振的合成，它们之间的主 要区别是什么？部分偏振光和椭圆偏振光呢？ 七、参考资料
1.谢行康世秀霍剑青主编，《大学物理实验》第二册.高等教育出版社2.《中国大百科全书》III.中国大百科全书出版社3.姚启钧《光学教程》高等教育出版社4.赵凯华《光学》北京大学出版社
1．谢行恕 康世秀 霍剑青主编.《大学物理实验》第二册.高等教育出版社 2．《中国大百科全书》I II. 中国大百科全书出版社 3．姚启钧.《光学教程》.高等教育出版社 4．赵凯华.《光学》.北京大学出版社