偏振光的观察与分析实验讲义（内容有变更，请参考附件）实验讲义

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偏振光实验（初稿）

实验目的：

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。

实验仪器

北京方式偏振光实验仪

实验原理：

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。而如果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。自然光经过一些特殊材料，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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在本实验中，我们将通过多种实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=AxCosωt Ey=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=0 cosδ=1 上式为

EX2/AX2+EY2/AY2±2EXEY/AXAY =0 EX=±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=1 cosδ= 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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些相似，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，这个特殊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情况。

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殊的双折射现象，即O光和E光传播方向相同，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，速度相同， 根据上面的分析，我们将得到一束椭圆偏振光，

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AX=Acosθ AY=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。如果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配合使用的。旋转检偏器，改变其透振方向，可以观察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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实验设备：

北京方式偏振光实验仪，包括光学实验导轨、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 北京方式偏振光实验仪 实验内容和步骤 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，靠近激光器加入一个偏振片，将功率计探头接入功率计。 1。3，功率计清零：关闭激光器，调节功率计调零旋钮使功率计读数为零。

1。4 打开激光器，转动偏振片，观察功率计上读数，停止在一个

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