内容发布更新时间 : 2024/6/26 13:47:51星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

偏振光的研究

【实验目的】

（1）观察光的偏振现象，了解振动的基本规律。 （2）掌握产生偏振光和检验偏振光的条件与方法。

（3）了解和观察1/4波片、1/2波片和全波片对偏振光的作用。 （4）验证马吕斯定律。 【实验原理】 1. 自然光与偏振光

光是一种电磁波（横波），这种电磁波的电矢量（光矢量）E的振动方向垂直于光的传播方向，光的偏振是横波所特有的现象。光的振动方向和传播方向组成的平面称为振动面。按E的振动状态不同，最常见的可分为五种，如图3.12.1所示。

图3.12.1 自然光与偏振光

光矢量E的振动在垂直于传播方向的平面内有无穷多个，均匀分布、振幅相等，这样的光为自然光。在除激光以外的一般光源发出的光中，包含着各个方向的光矢量，没有哪一个方向比其他方向占优势，所以一般光源发出的光都是自然光。

自然光经过某些物质反射、折射或是吸收后，可能只保留某一方向的光振动，叫做线偏振光，简称偏振光。若光波中，某一方向的光振动比与之垂直方向的光振动占优势，这种光叫做部分偏振光。偏振光通过双折射物质后，所产生的两束偏振光可能是相干的，这两束偏振光的振动方向相互垂直，所以与两个相互垂直的同周期振动合成一样，光矢量E的端点将描绘出椭圆轨迹，称为椭圆偏振光。在特殊情况下，如果两束偏振光的振幅相等，就成为圆偏振光。

在一定条件下，它们是可以互相转化。即自然光→线偏振光→椭圆（或圆）偏振光→线偏振光。

2. 偏振光的产生

将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏，起偏的装置称为起偏器。偏振光产生的方法常为以下几种：

（1）反射产生偏振光。如图3.12.2所示，当一束自然光从一种介质（折射率为n1）以入射角i照射在折射率为n2 的非金属表面（如玻璃）上时，经玻璃表面反射和折射时，反射光和透射光都成了部分偏振光，如图3.12.2所示。

反射和折射产生部分偏振光

图3.12.2

布儒斯特（D. Brewster）在1812年指出，反射光偏振化的程度与入射角i有关，当i等于i0而满足：

tani0?n2 n1反射光变为线偏振光，其振动方向与入射面垂直，此即为布儒斯特定律。此时的入射角i0称为“起偏振角”，又称为“布儒斯特角”。事实上，当i＝i0时，入射角i0与折射角γ之和恰为?/2，如图3.12.3所示。一般介质在空气中的起偏角为53°～58°，因玻璃折射率约为1.5，i0则约为56?。

（2）折射产生偏振光。当自然光以布儒斯特角i0入射到一个单独的玻璃面时，垂直于入射面的振动只被反射15%，大部分都被折射入玻璃板内。因此对于折射光来说，虽然光

强较强，但是它的偏振度很低。如果入射到多层平行玻璃板上，经过多次反射最后透射出来的光也就接近于线偏振光，其振动面平行于入射面。这种透射起偏器又称为玻璃片堆，如图3.12.4所示。

布儒斯特角

图3.12.3

?/2 玻璃片堆多次折射产生偏振光

图3.12.4

（3）双折射产生的偏振光。一束光线在两各向同性介质的界面上所产生的折射光只有一束，它满足折射定律。而对于各向异性介质，一束入射光通常被分解成两束折射光，这种现象称为双折射现象。其中一条折射光满足折射定律，称为寻常光（o光）；它在介质中传播时，各个方向的速度相同。另一条光不满足折射定律，称为非常光（e光），它在各向异性介质内的速度随方向而变，这就是产生双折射现象的原因。在一些双折射晶体中，有一个或几个方向o光和e光的传播速度相同，这个方向称为晶体的光轴。光轴和光线构成的平面称为主截面。o光和e光都是

线偏振光，o光的光矢量振动方向垂直于自己的主截面，e光的光矢量振动方向在自己的主截面内，如图3.12.5所示。

如方解石晶体做成的尼科耳棱镜即只让e光通过，使入射的自然光变成线偏振光。 （4）二向色性晶体产生偏振光。一些晶体（如电器石、人造偏振片）对两个相互垂直的点矢量具有不同的吸收本领，这种选择吸收性，称为二向色性。本实验所采用的硫酸碘奎宁晶体膜即为具有二向色性的偏振膜，当自然光通过此种偏振膜时，其中一成分的振动几乎被完全吸收，而另一成分的振动几乎没有损失即可获得偏振光，如图3.12.6所示。

双折射产生的偏振光 二向色性晶体产生的偏振光

图3.12.5 图3.12. 6

3. 起偏器、检偏器及马吕斯定律

在光学实验中，常利用某些装置移去自然光中的一部分振动而获得偏振光，人们把从自然光中获得偏振光的装置称为起偏振器（起偏器），用于检查偏振光的装置，称为检偏振器（检偏器）。起偏器和检偏器是通用的。

各种偏振器只允许某一方向的偏振光通过，这一方向称为偏振器的“偏振化方向”，通俗地称为“通光方向”。当起偏振器和检偏振器的通光方向互相平行时，通过的光强最大；当二者的通光方向互相垂直（即正交）时，光完全不能通过，如图3.12.7所示。那么，介于二者之间的情况又如何呢？

E0 E I?=?E02 E E?=?E0cos0?=E0 I=I0 I?=?E2 E I?=?E02 E0 E0 E?=?E0cos90?=0 I=0 I?=?E2 E0 I?=?E02 E I?=?E2 E E0 E?=?E0cos? I=I0 cos2?

起偏器、检偏器及马吕斯定律

图3.12.7

按照马吕斯定律，强度为I0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为

I＝I0cos2? （3.12.1）

式中 ??——?入射光振动方向与检偏器主截面之间的夹角。