光的偏振特性研究
光是一种电磁波。

干涉和衍射现象揭示了光的波动性，而光的偏振现象证实了光的横波性。

本实验主要研究光的一些基本的偏振特性，深入学习光的偏振理论。

一、实验目的
（1）观察光的偏振现象，加深对偏振光的基本概念的理解。

（2）了解偏振光的产生和检验方法。

（3）观测布儒斯特角及测定玻璃折射率。

（4）观测椭圆偏振光和圆偏振光。

二、实验仪器
光具座，激光器，偏振片，1/4波片，光屏，光电转换装置，观测布儒斯特角装置。

三、实验原理
光波的振动方向与光波的传播方向垂直。

自然光的振动在垂直于其传播方向的平面内，取所有可能的方向，某一方向振动占优势的光叫部分偏振光，只在某一个固定方向振动的光线叫线偏振光或平面偏振光。

将非偏振光（如自然光）变成线偏振光的方法称为起偏，用以起偏的装置或元件叫起偏器。

1.偏振光的产生
偏振光的产生有以下几种方式：
（1）由非金属镜面的反射。

当自然光由空气照射在非金属镜面上时，反射光和透射光都将成为部分偏振光，当入射角增大到某一特定值是，反射光成为完全偏振光，只剩下垂直于入射面分量，此时的入射角φ称布儒斯特角，介质的折射率n=tan φ。

（2）由玻璃堆折射。

当自然光以布鲁斯特角入射到迭在一起的多层玻璃上时，经过多次反射后，透射的光就近似为线偏振光；
（3）用偏振片可得到一定程度的线偏振光；
（4）利用双折射晶体产生的寻常光和非常光，均为线偏振光。

2.偏振片
偏振片一般用具有网状分子结构的高分子化合物—聚乙烯醇薄膜作为片基，将这种薄膜浸染具有强烈二向色性的碘，经过硼酸水溶液的还原稳定后，再将其单向拉伸4~5倍以上而制成。

偏振片既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.马吕斯定律
设两偏振片透射方向夹角为θ，自然光通过起偏器后变成光强为I 0的线偏振光，再经过检偏器后，透射光的强度变为
θ20cos I I = （1）
上式即为马吕斯定律。

显然，以光线传播方向为轴，转动检偏器时，透射光强度I 将发生周期变化。

若入射光是部分偏振光或椭圆偏振光，则极小值不为0。

若光强完全不变化，则入射光是自然光或圆偏振光。

这样，根据透射光强度变化的情况，可将线偏振光和自然光和部分偏振光区别开来。

nemo
xatu
2011.11.21
4.波片
一束振幅为A 的线偏振光垂直入射到厚度为L ，表面平行于自身光轴的单轴晶片时，在晶体内分解成o 光和e 光，振幅分别为θsin A A o =，θcos A A e =。

它们传播方向相同但速度不同，透过晶片后产生一个相位差ϕΔ
L n n e o )(2−=Δλπ
ϕ （2）
式中λ为光在真空中的波长，)(e o n n −为o 光和e 光在晶片中的折射率之差。

若晶片的厚度使两光束的光程差满足
4)
12()(λ+±=−k L n n d o （k=1，2，3…） （3）
则此晶片为1/4波片。

若晶片的厚度使两光束的光程差满足 2)
12()(λ+±=−k L n n d o （k=1，2，3…） （4）
则此晶片为1/2波片，即半波片。

5.椭圆偏振光和圆偏振光 o 光和e 光振动方向相互垂直，频率相同，位相差恒定，可表示为
t A x e ωcos = （5）
)cos(ϕωΔ+=t A y o （6）
两式消去t 可得
ϕϕΔ=Δ−+22222sin cos 2e
o o e A A xy A y A x （7） 当πϕk 2=Δ和πϕ)12(+=Δk （k=1，2，3…）时，为线偏振光。

当πϕ)2
1(±=Δk （k=1，2，3…）时，为椭圆偏振光，若Ao=Ae 则为圆偏振光。

四、实验内容
1.鉴别自然光与偏振光
（1）将激光束投射到屏上，在激光束与光屏间插入起偏器P 1，旋转P 1，观察透射光光强的变化。

（注意不要迎面直视激光，以免灼伤眼睛）
（2）在起偏器P 1和屏之间插入检偏器P 2，将起偏器P1固定，在垂直于光束的平面内旋转检偏器P 2，观察现象。

有几个消光位？
（3）以硅光电池代替光屏接收检偏器P 2出射的光束，旋转P 2，每转过100记录一次光电流值，共转1800，在坐标纸上作出θ20cos −=I I 的关系曲线。

2.观察布儒斯特角及测定玻璃折射率
（1）在起偏器P 1后，放入布儒斯特角装置，再在P 1和装置间插入一个带小孔的光屏，
调节玻璃平板，使反射光和入射光重合，记下初始角φ1.
（2）一面转动玻璃平板，一面同时转动起偏器P1，使其透过方向在入射面内，反复调节直至反射光消失为止，记下此时玻璃平板的角度φ2，重复测量三次，求其平均值及布儒斯特角φ=φ2-φ1.
（3）求出玻璃的折射率n=tanφ。

3.观察椭圆偏振光和圆偏振光。

（1）调节起偏器P1和检偏器P2的偏振轴垂直（即检偏器P2后的光屏上处于消光状态），在起偏器P1和检偏器P2间插入1/4波片，转动波片使检偏器P2后的光屏仍处于消光状态，此时1/4波片的光轴方向平行于起偏器P1的光轴方向，用硅光电池取代光屏。

（2）将起偏器P1转过200角，调节硅光电池使其透过P2的光全部进入硅光电池的接收孔内，再转动起偏器P2，找出最大和最小光电流位置，记下此时光电流的数值，重复测三次，求其平均值。

（3）转动起偏器P1，使其与1/4波片光轴夹角分别为300、450、600、750、900，在取每一角度时沿同方向转动检偏器P2至消光，记下P2的相应角度。

五、思考题
1.如何区别自然光和偏振光？
2.玻璃平板在布儒斯特角位置时，反射光是什么偏振光？振动方向如何？。