大学物理实验-光的偏振

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1、实验27光的偏振一、实验目的1、观察光的偏振现象，加深对光的偏振的理解。2、了解偏振光的产生及其检验方法。3、观测布儒斯特角，测定玻璃折射率。4、观测椭圆偏振光与圆偏振光。5、了解1/2波片和1/4波片的用途。二、实验原理1、光的偏振状态光是电磁波，它是横波。通常用电矢量E表示光波的振动矢量。(1)自然光其电矢量在垂直于传播方向的平面内任意取向，各个方向的取向概率相等，所以在相当长的时间里（10-5秒已足够了），各取向上电矢量的时间平均值是相等的，这样的光称为自然光，如图27-l所示。(2)平面偏振光电矢量只限于某一确

2、定方向的光，因其电矢量和光线构成一个平面而称其为平面偏振光。如果迎着光线看，电矢量末端的轨迹为一直线，所以平面偏振光也称为线偏振光，如图27-2所示。(3)部分偏振光电矢量在某一确定方向上较强，而在和它正交的方向上较弱，这种光称为部分偏振光，如图27-3所示。部分偏振光可以看成是线偏振光和自然光的混合。(4)椭圆偏振光迎着光线看，如果电矢量末端的轨迹为一椭圆，这样的光称为椭圆偏振光。椭圆偏振光可以由两个电矢量互相垂直的、有恒定相位差的线偏振光合成得到。(5)圆偏振光迎着光线看，如果电矢量末端的轨迹为一个圆，则这样的光称

3、为圆偏振光。圆偏振光可视为长、短轴相等的椭圆偏振光。图27-4椭圆偏振光2、布儒斯特定律反射光的偏振与布儒斯特定律如图27-5所示，光在两介质（如空气和玻璃片等）界面上，反射光和折射光（透射光）都是部分偏振光。当反射光线与折射光线的夹角恰为90°时，反射光为线偏振光，其电矢量振动方向垂直于入射光线与界面法线所决定的平面（入射面）。此时的透射光中包含平行于入射面的偏振光的全部以及垂直于入射面的偏振光的其余部分，所以透射光仍为部分偏振光。由折射定律很容易导出此时的入射角满足关系(27-1)(27-1)式称为布儒斯特定律，入

4、射角称为布儒斯特角，或称为起偏角。若光从空气入射到玻璃（n2约为1.5），起偏角约56°。3、偏振片、起偏和检偏、马吕斯定律(1)由二向色性晶体的选择吸收所产生的偏振图a偏振片起偏图b起偏和检偏图27-6偏振片有些晶体（如电气石）、长链分子晶体（如高碘硫酸奎宁），对两个相互垂直振动的电矢量具有不同的吸收本领，这种选择吸收性称为二向色性。在两平板玻璃间，夹一层二向色性很强的物质就制成了偏振片。自然光通过偏振片时，一个方向的电矢量几乎完全通过（该方向称为偏振片的偏振化方向），而与偏振化方向垂直的电矢量则几乎被完全吸收，因此

5、透射光就成为线偏振光。根据这一特性，偏振片既可用来产生偏振光（起偏），也可用于检验光的偏振状态（检偏）。(2)马吕斯定律用强度为I0的线偏振光入射，透过偏振片的光强为I，则有如下关系(27-2)(27-2)式称为马吕斯定律。是入射光的E矢量振动方向和检偏器偏振化方向之间的夹角。以入射光线为轴转动偏振片，如果透射光强有变化，且转动到某位置时＝0，则表明入射光为线偏振光，此时＝90°。4、波片(1)两个互相垂直的、同频率的简谐振动的合成设有两各互相垂直且同频率的简谐振动，它们的运动方程分别为(27-3)合运动是这两个分运动

6、之和，消去参数，得到合运动矢量末端运动轨迹方程为(27-4)上式表明，一般情况下，合振动矢量末端运动轨迹是椭圆，该椭圆在的矩形范围内。如果(27-3)式表示的是两线偏振光，则叠加后一般成为椭圆偏振光。下面讨论相位差为几种特殊值的情况。①当（=0,±1,±2,…）时，(27-4)式变为(27-5)合振动矢量末端运动轨迹是上述矩形的对角线，与y轴的夹角为。这就是说，相互垂直的、同相位的两线偏振光合成后仍为线偏振光，但E振动有新的取向。②当（=0,±1,±2,…）时，(27-4)式变为(27-6)(27-6)式表明，相互垂直

7、的、相位相反的两线偏振光合成后也是线偏振光，E振动方向与y轴的夹角也是，但在y轴的另一侧。③当（=0,±1,±2,…）时，(27-4)式变为(27-7)此时，合振动矢量末端运动轨迹是正立在上述矩形内的椭圆。即相互垂直的、相位差是的两线偏振光合成为椭圆偏振光，椭圆的长半轴和短半轴分别等于两线偏振光的振幅。④根据情况③，且A1=A2=A，则(27-4)式变为(27-8)即振幅相等的、相互垂直的、相位差是的两线偏振光合成为圆偏振光。(2)双折射晶体图27-7双折射一束自然光在入射到某些各向异性晶体上时，能够被分成振动方向相互

8、垂直的两束线偏振光，分别称为e光和o光。它们以不同的速度、沿不同的方向在晶体内传播，如图27-7所示。这种现象称为双折射，这些晶体称为双折射晶体，如方解石、石英等。方解石，称“负晶体”，石英称“正晶体”。在双折射晶体内有一个被称为光轴的特殊方向。光线在晶体内沿光轴传播时，不发生双折射；平行于光轴传播时，e光和o光沿同一方向传播不再