实验2.17偏振光的研究
光的偏振性证明了光是横波，人们通过对光的偏振性质的研究，更深刻地认识了光的传播规律和光与物质的相互作用规律。目前，偏振光的应用已遍及工农业、医学、国防等部门。利用偏振光装置的各种精密仪器，已为科研、工程设计、生产技术的检验等，提供了极有价值的方法。
一、实验目的
1、观察和理解光的偏振现象。
2、掌握产生和检验偏振光的方法。
3、验证马吕斯定律和布鲁斯特定律。
4、用1/4波片产生并检验椭圆偏振光和圆偏振光。
二、实验原理
由于光波是横波，所以光矢量总是与光的传播方向垂直。在与传播方向垂直的平面内，光矢量可能有各种不同的振动状态，我们称之为光的偏振态。最常见的光的偏振态有：自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。
1. 马吕斯定律
从自然光获得偏振光的过程叫起偏。起偏的最简单方法是让自然光通过一块偏振片，其透过的光就成为线偏振光，这块偏振片叫起偏器。 使用另一块偏振片来检验偏振光，用来检验偏振光的装置称为检偏器。如果检偏器的偏振化方向与起偏器的偏振化方向相同，则透过的光强最大。如果把检偏器转过90º，则透射光强为零。对于检偏器与起偏器的偏振化方向的夹角为任意角度，若入射到检偏器上的线偏振光强度为I 0，出射的光强为I ，由于光强与振幅平方成正比，透射光强为
s ) 2 I =(A 0c o α=c o 2s α 2I 0A 0
或者写成
I = I 0cos 2α (2.17-1)
上式为马吕斯定律。
2 布儒斯特定律
自然光在两种各向同性介质的分界面上反射和折射时，反射光和折射光都成为部分偏振光，不过反射光中垂直于入射面的振动(简称垂直振动) 较强；而折射光中平行于入射面的振动(简称平行振动) 较强。如图2.17-1所示。
当入
射角等于
某一特定
值i 0时，反
射光是光
振动垂直
于入射面
的线偏
振
光，如图2.17-2所示。这个特定的入射角i 0叫做布儒斯特角。
并且
n tan i 0=2=n 21 (2.17-2) n 1
式中, n 21=n 2/n 1为介质2对介质1的相对折射率。这一规律称为布儒斯特定律。
3. 波片
表面与光轴平行的晶体薄片称为波片，波片通常是用方解石或石英等单轴晶体按需要的厚度切割而成的。当平行光垂直入射晶面时，从波片射出的e 光和o 光不会分开，但两者有一定的相位差。设波片的厚度为d ，e 光和o 光的主折射率分别为n e 和n 0，则两光束从波片射出后的相位差可表示为
∆ϕ=2π
λ(n 0-n e ) d （2.17-3）
由此可见，改变波片的厚度d ，可以获得两光束之间的不同相位差。
若波片的厚度d 使o 光和e 光产生π2的相位差，此波片称为该波长的1/4波片。同样，若波片的厚度d 使o 光和e 光产生π的相位差，此波片称为该波长的1/2波片或半波片。
椭圆偏振光和圆偏振光可以看成是两个相互垂直的线偏振光的合成。这两个相互垂直的线偏振光可表示为
E x =A 1cos ωt E y =A 2cos(ωt +ϕ) （2.17-4）
式中ϕ≠0、±π。分析表明：当sin ϕ>0时，迎着光的传播方向观察，光矢量端点沿顺时针方向旋转，称为右旋椭圆偏振光。当sin ϕ
反过来，对于线偏振光，由于它可以分解为分别沿o 光、e 光方向，相位相同的两个线振动，若经过1/4波片后，这两个振动相位差为π2，所以多数情形下出射的是椭圆偏振光，在特殊情形下也可能是圆偏振光或线偏振光。
三、实验仪器
实验仪器包括：半导体激光器，起偏器，检偏器，1/2 ，1/4 波片，光电探测器，检流计等，上述实验部件均可放置在两只可以旋转的支臂上，样品放置在旋转载物台上。旋转载物台和支臂可单独旋转也可联动。光源为半导体激光器，波长650nm 。起偏器和检偏器为格兰棱镜。检测用样品为有机玻璃板。
四、实验内容与要求
1. 验证马吕斯定律
（1）将半导体激光器放置于支臂的一端，使支臂和读数外圆盘固定。调整激光光束的出射方向，使之平行于该支臂。利用自准法，调整载物台中心轴垂直于入射光。
（2）依次放置起偏器、检偏器和光电探测器。调整各光学元件同轴等高。旋转起偏器使检流计示数为最小值。
（3）旋转检偏器，使起偏器与检偏器偏振化方向之间的夹角分别为θ=0o , 30o , 45o , 60o 和90o 时，记录输出光强I 。自拟表格并记录数据。
2. 根据布鲁斯特定律，测定有机玻璃样品的折射率
（1）去掉检偏器，将光电探测器移至另一支臂上。将待测有机玻璃样品放置在载物台上，使样品反射面中央部分恰好位于载物台的旋转中心。实验光路图如图2.17-3所示。
（2）调整样品使入射角在50和60之间，旋转起偏器，找到输出光强最小的位置。此时入射到样品表面的偏振光振动方向恰好平行于入射面（P 分量）。
（3）旋转载物台，改变入射角，同时旋转动臂，由光电探测器测量反射光强度。入射角由10开始每隔5或10读一次光强I 值，直到入射角θ为85止。在布鲁斯特角附近应多测几组数据。自拟表格并记录数据。
3. （选
做内容） 椭
圆、圆偏振
光的获得与
检验
（1）在
起偏器与检
偏器中间置
入1/2波片，改变检偏器的方位，光电流示值的变化将反映出经过1/2波片的出射光仍为平面偏振光，但振动方向与1/2 波片的方位相关。旋转检偏器进行检验，观察并记录光强的变化规律。
（2）在起偏器与检偏器之间置入1/4波片，出射光为椭圆偏振光， 当1/4波片光轴与入射偏振平面夹角为45°时，出射光变为圆偏振光。旋转检偏器，观察并记录光强的变化规律。 o o o o o o
五、数据处理
1. 根据实验内容1实测结果，用坐标纸做出I ～cos 2θ 曲线，验证马吕斯定律。
2. 根据实验内容2实测结果，绘出log I ～θ 曲线，确定布鲁斯特角，并根据布鲁斯特定律算出折射率。
3. 记录实验内容3的结果（选做内容）。
六、思考题
1、有四束光它们的偏振态分别是: 线偏振、光圆偏振光、椭圆偏振光和自然光怎样鉴别它们？
2、本实验中的偏振片，其透光轴方向均未标定，你能确定它们的透光轴方向吗？
偏振光的观察与分析
一、He_Ne激光束通过起偏器P1变成线偏振光，旋转第二个偏振片P2，同时观察光屏上强度变化情况，当光屏最暗时，固定检偏器，此时，起偏器的偏振轴与检偏器的偏振轴相互垂直。
二、平面偏振光通过λ/2波片的情况：
（1）使起偏器P1和偏振片P2偏振轴正交，此时出现消光现象，在两块偏振片之间插入λ/2波片W ，使W 绕水平轴转动360度，同时观察光屏C 上发生消光现象的次数并作出解释。
解释： 四次，起偏器和检偏器本来就处于正交状态，插入了1/2波片，使正交这个状态经过360度时增加到了4次，所以消光四次。
（2）将λ/2波片旋转任意角度，这时消光现象被破坏。把检偏器旋转360度，观察到什么现象？由此说明通过λ/2波片波片后，光的偏振状态如何变化？
解释：消光两次， 因为入射光是线偏振光，二分之一波片可以将偏振旋转0到360度，当过波片后的偏振与检偏器允许的方向垂直时可消光。
三、用1/4波片产生圆偏振光和椭圆偏振光
（1）使起偏器和检偏器正交，用λ/4波片代替λ/2波片，转动λ/4波片使消光。
（2）再将λ/4波片转动15度，然后将检偏器转动360度，观察现象，并分析这时从λ/4波片出来光的偏振状态是怎样？
（3）依次将λ/4波片转动30，45，60，75，90度，每次将检偏器转动，记录所观察到的现象。
λ/4波片转动的角度 检偏器转动360度观察到的现象 光的偏振性质 15度 从明到暗，从暗到明，不会消光 椭圆偏振光 30度 从明到暗，从暗到明，不会消光 椭圆偏振光 45度 无变化 圆偏振光
60度 从明到暗，从暗到明，不会消光 椭圆偏振光 75度 从明到暗，从暗到明，不会消光 椭圆偏振光 90度 从明到暗，从暗到明，会消光 线偏振光
实验2.17偏振光的研究
光的偏振性证明了光是横波，人们通过对光的偏振性质的研究，更深刻地认识了光的传播规律和光与物质的相互作用规律。目前，偏振光的应用已遍及工农业、医学、国防等部门。利用偏振光装置的各种精密仪器，已为科研、工程设计、生产技术的检验等，提供了极有价值的方法。
一、实验目的
1、观察和理解光的偏振现象。
2、掌握产生和检验偏振光的方法。
3、验证马吕斯定律和布鲁斯特定律。
4、用1/4波片产生并检验椭圆偏振光和圆偏振光。
二、实验原理
由于光波是横波，所以光矢量总是与光的传播方向垂直。在与传播方向垂直的平面内，光矢量可能有各种不同的振动状态，我们称之为光的偏振态。最常见的光的偏振态有：自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。
1. 马吕斯定律
从自然光获得偏振光的过程叫起偏。起偏的最简单方法是让自然光通过一块偏振片，其透过的光就成为线偏振光，这块偏振片叫起偏器。 使用另一块偏振片来检验偏振光，用来检验偏振光的装置称为检偏器。如果检偏器的偏振化方向与起偏器的偏振化方向相同，则透过的光强最大。如果把检偏器转过90º，则透射光强为零。对于检偏器与起偏器的偏振化方向的夹角为任意角度，若入射到检偏器上的线偏振光强度为I 0，出射的光强为I ，由于光强与振幅平方成正比，透射光强为
s ) 2 I =(A 0c o α=c o 2s α 2I 0A 0
或者写成
I = I 0cos 2α (2.17-1)
上式为马吕斯定律。
2 布儒斯特定律
自然光在两种各向同性介质的分界面上反射和折射时，反射光和折射光都成为部分偏振光，不过反射光中垂直于入射面的振动(简称垂直振动) 较强；而折射光中平行于入射面的振动(简称平行振动) 较强。如图2.17-1所示。
当入
射角等于
某一特定
值i 0时，反
射光是光
振动垂直
于入射面
的线偏
振
光，如图2.17-2所示。这个特定的入射角i 0叫做布儒斯特角。
并且
n tan i 0=2=n 21 (2.17-2) n 1
式中, n 21=n 2/n 1为介质2对介质1的相对折射率。这一规律称为布儒斯特定律。
3. 波片
表面与光轴平行的晶体薄片称为波片，波片通常是用方解石或石英等单轴晶体按需要的厚度切割而成的。当平行光垂直入射晶面时，从波片射出的e 光和o 光不会分开，但两者有一定的相位差。设波片的厚度为d ，e 光和o 光的主折射率分别为n e 和n 0，则两光束从波片射出后的相位差可表示为
∆ϕ=2π
λ(n 0-n e ) d （2.17-3）
由此可见，改变波片的厚度d ，可以获得两光束之间的不同相位差。
若波片的厚度d 使o 光和e 光产生π2的相位差，此波片称为该波长的1/4波片。同样，若波片的厚度d 使o 光和e 光产生π的相位差，此波片称为该波长的1/2波片或半波片。
椭圆偏振光和圆偏振光可以看成是两个相互垂直的线偏振光的合成。这两个相互垂直的线偏振光可表示为
E x =A 1cos ωt E y =A 2cos(ωt +ϕ) （2.17-4）
式中ϕ≠0、±π。分析表明：当sin ϕ>0时，迎着光的传播方向观察，光矢量端点沿顺时针方向旋转，称为右旋椭圆偏振光。当sin ϕ
反过来，对于线偏振光，由于它可以分解为分别沿o 光、e 光方向，相位相同的两个线振动，若经过1/4波片后，这两个振动相位差为π2，所以多数情形下出射的是椭圆偏振光，在特殊情形下也可能是圆偏振光或线偏振光。
三、实验仪器
实验仪器包括：半导体激光器，起偏器，检偏器，1/2 ，1/4 波片，光电探测器，检流计等，上述实验部件均可放置在两只可以旋转的支臂上，样品放置在旋转载物台上。旋转载物台和支臂可单独旋转也可联动。光源为半导体激光器，波长650nm 。起偏器和检偏器为格兰棱镜。检测用样品为有机玻璃板。
四、实验内容与要求
1. 验证马吕斯定律
（1）将半导体激光器放置于支臂的一端，使支臂和读数外圆盘固定。调整激光光束的出射方向，使之平行于该支臂。利用自准法，调整载物台中心轴垂直于入射光。
（2）依次放置起偏器、检偏器和光电探测器。调整各光学元件同轴等高。旋转起偏器使检流计示数为最小值。
（3）旋转检偏器，使起偏器与检偏器偏振化方向之间的夹角分别为θ=0o , 30o , 45o , 60o 和90o 时，记录输出光强I 。自拟表格并记录数据。
2. 根据布鲁斯特定律，测定有机玻璃样品的折射率
（1）去掉检偏器，将光电探测器移至另一支臂上。将待测有机玻璃样品放置在载物台上，使样品反射面中央部分恰好位于载物台的旋转中心。实验光路图如图2.17-3所示。
（2）调整样品使入射角在50和60之间，旋转起偏器，找到输出光强最小的位置。此时入射到样品表面的偏振光振动方向恰好平行于入射面（P 分量）。
（3）旋转载物台，改变入射角，同时旋转动臂，由光电探测器测量反射光强度。入射角由10开始每隔5或10读一次光强I 值，直到入射角θ为85止。在布鲁斯特角附近应多测几组数据。自拟表格并记录数据。
3. （选
做内容） 椭
圆、圆偏振
光的获得与
检验
（1）在
起偏器与检
偏器中间置
入1/2波片，改变检偏器的方位，光电流示值的变化将反映出经过1/2波片的出射光仍为平面偏振光，但振动方向与1/2 波片的方位相关。旋转检偏器进行检验，观察并记录光强的变化规律。
（2）在起偏器与检偏器之间置入1/4波片，出射光为椭圆偏振光， 当1/4波片光轴与入射偏振平面夹角为45°时，出射光变为圆偏振光。旋转检偏器，观察并记录光强的变化规律。 o o o o o o
五、数据处理
1. 根据实验内容1实测结果，用坐标纸做出I ～cos 2θ 曲线，验证马吕斯定律。
2. 根据实验内容2实测结果，绘出log I ～θ 曲线，确定布鲁斯特角，并根据布鲁斯特定律算出折射率。
3. 记录实验内容3的结果（选做内容）。
六、思考题
1、有四束光它们的偏振态分别是: 线偏振、光圆偏振光、椭圆偏振光和自然光怎样鉴别它们？
2、本实验中的偏振片，其透光轴方向均未标定，你能确定它们的透光轴方向吗？
偏振光的观察与分析
一、He_Ne激光束通过起偏器P1变成线偏振光，旋转第二个偏振片P2，同时观察光屏上强度变化情况，当光屏最暗时，固定检偏器，此时，起偏器的偏振轴与检偏器的偏振轴相互垂直。
二、平面偏振光通过λ/2波片的情况：
（1）使起偏器P1和偏振片P2偏振轴正交，此时出现消光现象，在两块偏振片之间插入λ/2波片W ，使W 绕水平轴转动360度，同时观察光屏C 上发生消光现象的次数并作出解释。
解释： 四次，起偏器和检偏器本来就处于正交状态，插入了1/2波片，使正交这个状态经过360度时增加到了4次，所以消光四次。
（2）将λ/2波片旋转任意角度，这时消光现象被破坏。把检偏器旋转360度，观察到什么现象？由此说明通过λ/2波片波片后，光的偏振状态如何变化？
解释：消光两次， 因为入射光是线偏振光，二分之一波片可以将偏振旋转0到360度，当过波片后的偏振与检偏器允许的方向垂直时可消光。
三、用1/4波片产生圆偏振光和椭圆偏振光
（1）使起偏器和检偏器正交，用λ/4波片代替λ/2波片，转动λ/4波片使消光。
（2）再将λ/4波片转动15度，然后将检偏器转动360度，观察现象，并分析这时从λ/4波片出来光的偏振状态是怎样？
（3）依次将λ/4波片转动30，45，60，75，90度，每次将检偏器转动，记录所观察到的现象。
λ/4波片转动的角度 检偏器转动360度观察到的现象 光的偏振性质 15度 从明到暗，从暗到明，不会消光 椭圆偏振光 30度 从明到暗，从暗到明，不会消光 椭圆偏振光 45度 无变化 圆偏振光
60度 从明到暗，从暗到明，不会消光 椭圆偏振光 75度 从明到暗，从暗到明，不会消光 椭圆偏振光 90度 从明到暗，从暗到明，会消光 线偏振光