深圳大学物理实验：偏振光的观察与研究

深圳大学物理实验：偏振光的观察与研究

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/qq1677852098/article/details/135591583

偏振光是物理学中一个重要的光学现象，它展示了光的横波特性。本文将通过深圳大学物理实验课程中的偏振光观察与研究实验，详细介绍偏振光的基本概念、马吕斯定律的验证以及波片对偏振光的影响。

实验原理

光是电磁波，电磁波是横波，横波具有一个纵波没有的特性—偏振。偏振光是自然光经过反射、吸收、折射后，只保留某一方向的光振动或在某一方向振动较强的光。

• 线偏振光：振动只在某一方向上。
• 部分偏振光：振动在某一方向上比其他方向较强。部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光。

偏振片有一个特定的方向（偏振化方向），只让平行与该方向的振动通过。起偏是光通过偏振片后变成偏振光的过程。自然光经过偏振片后光强变为原来的一半，振动方向和偏振片的偏振化方向相同。检偏是完全偏振光经过偏振片后，光强随偏振化方向不同而变化的过程。

马吕斯定律指出，自然光在电介质界面上反射和折射时，一般情况下反射光和折射光都是部分偏振光，当入射角为某特定角时，反射光是线偏振光，其振动方向与入射面垂直，此特定角称为布儒斯特角或起偏角，用ib表示。此规律称为布儒斯特定律。光以布儒斯特角入射时，反射光与折射光互相垂直。

将一束平面偏振光垂直入射到具有双折射的晶片上，光波被分成两束振动方向互相垂直的平面偏振光，其中一束比另一束较快地通过晶体，当射出晶片时，两束光波产生一个相位差。

波片是能使相互垂直的两振动分量间产生附加光程差（相位差）的光学元件。通常由具有精确厚度的石英、方解石等双折射晶片制成。相位差是利用不同偏振方向的光在晶体中的传播速度不同来实现的。传播速度较大的振动方向成为快轴，传播速度较小的振动方向称为慢轴（o光和e光取决于晶体类型）。

产生偏振光的常用方式包括：

1. 光在界面的反射和透射：根据布儒斯特定律，入射角为一特定值时，反射光为完全线偏振光，折射光为部分偏振光。
2. 光学棱镜：利用晶体的双折射原理得到的o光和e光是完全偏振光。
3. 采用偏振片作为起偏器产生偏振光。本实验中采用偏振片作为起偏器和检偏器。

实验仪器

光源、偏振片、1/4波片、1/2波片、光屏

实验内容

马吕斯定律的验证

1. 移去实验台上的波片，保留两个偏振片，并使两偏振片的角度都设为0；
2. 打开光源，选择自然光；双击屏幕，记下此时的光强的值；

研究λ/4波片对偏振光的影响

实验内容选“研究λ/4波片对偏振光的影响”，重复“研究λ/4波片对偏振光的影响”的步骤，记入表3。

研究λ/2波片对偏振光的影响

实验内容选“研究λ/2波片对偏振光的影响”，重复“研究λ/4波片对偏振光的影响”的步骤，记入表3。

数据记录

如前面所示。

数据处理

图1 光强I与φ的关系

图2 光强I与cos(φ)的关系

图3 光强I与cos(φ)^2的关系
由图1、图2、图3验证了线偏振光经过检偏器后的光强遵循的关系
即验证了马吕斯定律。

图4 线偏振光经λ/4波片后的影响

图5 线偏振光经λ/2波片后的影响
由图4可知，线偏振光经过λ/4波片后的情况与波片的角度有关。如果波片的角度为0，则通过λ/4波片的光为线偏振光；如果λ/4波片的角度不为0，经过波片后的光不再是线偏振光，因为经检偏器旋转一周过程中的光强最小值不为0。由图5可知，线偏振光经过λ/2波片后还是线偏振光。当λ/2波片转动θ角时，线偏振光的偏振方向转动2θ。

结果陈述

图6 波片的o轴与偏振方向平行

图7 λ/4波片旋转θ角

图8 λ/2波片旋转θ角

上图坐标轴表示波片的o轴和e轴，红色箭头表示入射线偏振光的振动方向，实验中起偏器的设置不变。图7和图8中的绿色箭头表示偏振光经过波片后的偏振状态。

当波片的快轴平行于偏振方向时（如图5所示），由于偏振方向在e轴的投影为零，光没有分量被延迟，因此经过检偏器后的光强分布保持不变，此情况与不放波片结果一样。

波片旋转θ角后，入射光的光矢量方向在o轴和e轴的投影的大小分别为

如果波片是λ/4波片（如图7所示）。E和E0的相位差等于π/2，则经波片光矢量端点描出的是一个椭圆，透过波片后为椭圆偏振光。当θ<π/4时，椭圆的长轴和短轴分别为E和E0。当θ=π/4时，E0=Ee，此时为圆偏振光。

如果波片是λ/2波片（如图8所示）。E和E0的相位差等于π，光矢量端点方向始终在一条直线上，透过波片后仍然是线偏振光。由于相位差π的存在（相当于E0的方向不变，Ee的方向反向），偏振方向相当于原偏振方向旋转2θ角。

实验总结与思考题

思考题：

1. 什么是左旋光和右旋光？
2. 查阅资料，简述正晶体波片和负晶体波片的区别。

答案：

1. 物理学中定义：迎着光线方向看, 凡电矢量顺时针旋转的称右旋偏振光, 凡逆时针旋转的称左旋偏振光。
2. 正晶体，以石英为代表ve<vo，即e光的波面是长椭球，这类晶体叫做正晶体。负晶体是单轴晶体种类之一。指在垂直光轴方向，o光的光速总小于e光的光速的晶体。此方向e光的折射率小于o光的折射率。

本文原文来自CSDN