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实验三 偏振光的产生和检测
一、实验目的
观察光的偏振现象，分析偏振光，起偏，定光轴
二、实验原理
（一）偏振光的基本概念
光是电磁波，它的电矢量E和磁矢量H相互垂直，且均垂直于光的传播方向K，通常用电矢量E代表代表光的振动方向，并将电矢量E和光的传播方向K所构成的平面称为光振动面。在传播过程中，电矢量的振动方向始终在某一确定方向的光称为平面偏振光或线偏振光，如图（a）。光源发射的光是由大量原子或分子辐射构成的。由于大量原子或分子的热运动和辐射的随机性，它们所发射的光的振动面，出现在各个方面的几率是相同的。故这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光图（b）。在发光过程中，有些光的振动面在某个特定方向上出现的几率大于其他方向，即在较长时间内电矢量在某一方向上较强，这种的光称为部分偏振光，如图（c）所示，还有一些光，其振动面的取向和电矢量的大小随时间作有规律的变化，而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。这种光称为椭圆偏振光或圆偏振光。
（a） （b） （c）
（二）获得偏振光的常用方法
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。常用的起偏装置主要有：
1、反射起偏器（或透射起偏器）
当自然光在两种媒质的界面上反射和折射时，反射光和折射光都将成为部分偏振光。当入射角达到某一特定值?b时，反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于入射面（见图e）而角?b就是布儒斯特角，也称为起偏振角，由布儒斯特定律得
tg?b?n2/n1
例如，当光由空气射向n=1.54的玻璃板时，?b=57度
若入射光以起偏振角?b射到多层平行玻璃片上，经过多次反射最后透射出来的光也
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就接近于线偏振光，其振动面平行于人射面。由多层玻璃片组成的这种透射起偏振器又称为玻璃片堆。见图f。
非线偏振光入射φbnn空气玻璃φb 图（e） 图（f）
偏振片入射自然光透射的平面偏振光 图（g）
2、晶体起偏器
利用某些晶体的双折射现象来获得线偏振光，如尼科尔棱镜等。
1、偏振片（分子型薄膜偏振片）
聚乙烯醇胶膜内部含有刷状结构的炼状分子。在胶膜被拉伸时，这些炼状分子被拉直并平行排列在拉伸方向上，拉伸过的胶膜只允许振动取向平行于分子排列方向（此方向称为偏振片的偏振轴）的光通过，利用它可获得线偏振光，其示意图参看图g。偏振片是一种常用的“起偏”元件，用它可获得截面积较大的偏振光束（它就是本实验使用的元件）。
(三)偏振光的检测
鉴别光的偏振光状态的过程称为检偏，它所用的装置称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是通用的。用于起偏的偏振片称为起偏振器，把它用于检偏就成为检偏器了。
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?
式中?为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角。显然，当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度I将发生周期性变化。当?=0度时，透射光强度最大；当?=90度时，透射光强度最小（消失状态）；当0度
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因此，根据透射光强度变化的情况，可以区别光的不同偏振状态。
（四）偏振光通过波晶片时的情形 1.波晶片
波晶片是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，其表面平行于光轴。
当一束单色平行自然光正入射到波晶片上时，光在晶体内部便分解为o光与e光。o光电矢量垂直与光轴;e光电矢量平行于光轴。而o光和e光的传播方向不变，仍都与表面垂直。但o光在晶体内的速度为v0,e光的为ve即相应的折射率n0、ne不同。 设晶片的厚度为，则两束光通过晶体后就有位相差
???(n0?ne)l
?式中λ为光波在真空中的波长。??2k?的晶片，??2k???称为全波片；者为半波片
?（λ/2波片）；??2k??为λ/4片，上面的k都是任意整数。不论全波片，半波片
2或λ/4片都是对一定波长而言。
以下直角坐标系的选择，是以e光振动方向为横轴，o光振动方向为纵轴。沿任意方向振动的光，正入射到波晶片的表面，其振动便按此坐标系分解为e分量和o分量。
2.光束通过波片后偏振态的改变
平行光垂直入射到波晶片后，分解为e分量和o分量，透过晶片，二者间产生一附加位相差σ。离开晶片时合成光波的偏振性质，决定于σ及入射光的性质。
（1）偏振态不变的情形
（i）自然光通过波晶片，仍为自然光。因为自然光的两个正交分量之间的位相差是无规的，通过波晶片，引入一恒定的位相差σ，其结果还是无规的。
（ii）若入射光为线偏振光，其电矢量E平行e轴（或o轴），则任何波长片对它都不起作用，出射光仍为原来的线偏振光。因为这时只有一个分量，谈不上振动的合成与偏振态的改变。
除上述二情形外，偏振光通过波晶片，一般其偏振情况是要改变的。 （2）λ/2片与偏振光
（i）若入射光为线偏振光，在λ/2片的前面（入射处）上分解为 Ee?Aecos?t
Eo?Aocos(?t??) ε=0或π
出射光表示为
Ee?Aecos(?t?2??nel) 2?nl)
?o讨论二波的相对位相差，上式可写为 Ee?Aecos?t Eo?Aocos(?t???2?Eo?Aocos(?t????nol?2??nel)
=Aocos(?t????)，???
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出射光二正交分量的相对位相差由决定。现在
????0?????和????????0
这说明出射光也是线偏振光，但振动方向与入射光的不同。如入射光与晶片光轴成?角，则出射光与光轴成-?角。即线偏振光经λ/2片电矢量振动方向转过了2?角。
（ii）若入射光为椭圆偏振光，作类似的分析可知，半波片既改变椭圆偏振光长（短）轴的取向，也改变椭圆偏振光（圆偏振光）的旋转方向。
（3）λ/4片与偏振光 （i）入射光为线偏振光 Ee?Aecos?t
Eo?Aocos(?t??) ε=0或π
则出射光为
Ee?Aecos?t
Eo?Aocos(?t????)，????2
则出射光为
Ee?Acos?tEo?Acos(?t????)，????
2此式代表一正椭圆偏振光。??????2对应于右旋，??????2对应于左旋。当
Ae?Ao时，出射光为圆偏振光。
（ii）入射光为圆偏振光
Ee?Acos?t
Eo?Acos(?t??)，????2
此式代表线偏振光。????0出射光电矢量E出沿一、三象限；?????，E出沿二、四象限。
（iii）入射光为椭圆偏振光
Ee?Aecos?t
Eo?Acos(?t??)，?在??到??任意取某值
出射光为
Ee?Aecos?t
Eo?Aocos(?t????)，????2
可见出射光一般为椭圆偏振光。
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