偏振光现象的观察与分析.pdf

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1、偏振光现象的观察与分析物理系，刘呈豪一、引言一八零九年，法国工程师马吕斯在实验中发现了光的偏振现象。对于光的偏振现象研究，使人们对光的传播的规律有了新的认识。特别是近年来利用光的偏振性所开发出来的各种偏振光元件、偏振光仪器和偏振光技术在现代科学技术中发挥了极其重要的作用，在光调制器、光开关、光学计量、应力分析、光信息处理、光通信、激光和光电子学器件等应用中，都大量使用偏振技术。二、实验原理1.偏振光的种类光是电磁波，它的电矢量E和磁矢量H相互垂直，且都垂直于光的传播方向。通常用电矢量代表光矢量，并将光矢量和光的传播方向所构成的平面称为光的振动面。按光矢量的不同振动状态，可以把光分为

2、五种偏振态：（1）自然光：在与光传播方向垂直的平面内，包含一切可能方向的横振动，即光波的电矢量在任一方向上具有相同的振幅。普通光源发光的是自然光。（2）线偏振光：在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持在同一平面内，这种光称为线偏振光（或平面偏振光)。（3）部分偏振光：光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不等，在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，这种光称为部分偏振光。自然光和部分偏振光实际上是由许多振动方向不同的线偏振光组成。（4）椭圆偏振光：在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动，且电矢量端点描出一个椭圆轨迹，这种光称为椭圆偏

3、振光。（5）圆偏振光：旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光的特殊情形。能使自然光变成偏振光的装置或器件，称为起偏器；用来检验偏振光的装置或器件，称为检偏器。2.线偏振光的产生（1）反射和折射产生的偏振根据布儒斯特定律，当自然光以ib=arctann的入射角从空气或真空入射至折射率为n的介质表面上时，其反射光为完全线偏振光，振动面垂直于入射面，而透射光为部分偏振光，ib称为布儒斯特角。如果自然光以ib入射到一叠平行玻璃片堆上，则经过多次反射和折射最后从玻璃片堆透射出来的光也接近于线偏振光。玻璃片堆的数目越多，透射光的偏振度越高。（2）偏振片利用某些有机化合物晶体的“二

4、向色性”制成。当自然光通过这种偏振片后，光矢量垂直于偏振片透振方向的分量几乎完全被吸收，光矢量平行于透振方向的分量几乎完全通过，因此透射光基本上为线偏振光。（3）双折射产生偏振当自然光入射到某些双折射晶体（如方解石、石英等）时，经晶体的双折射所产生的寻常光（o光）和非常光（e光）都是线偏振光。3.波晶片简称波片，它通常是一块光轴平行于表面的单轴晶片。一束平面偏振光垂直入射到波晶片后，便分解为振动方向与光轴方向平行的e光和与光轴方向垂直的o光两部分。这两种光在晶体内传播方向虽然一致，但它们在晶体内传播的速度并不相同。于是，o光和e光通过波晶片后就产生固定的相位差δ，即2?δ=(??−

5、??)?式中λ为入射光的波长，l为晶片的厚度，ne和ne分别是e光??和o光的主折射率。对于某种单色光，能产生相位差δ=(2k+1)的波晶片，2称为此单色光的1/4波片；能产生δ=(2k+1)π的晶片，称为1/2波片；产生相位差δ=2kπ的波晶片，称为全波片。通常波片用云母片剥离成适当厚度或用石英晶体研磨成薄片。由于石英晶体是正晶体，其o光比e光的速度快，沿光轴方向振动的光(e光)传播速度慢，故称光轴为慢轴，与之垂直的方向称为快轴。对于负晶体制成的波片，光轴就是快轴。4．平面偏振光通过各种波片后偏振态的改变由图1可知一束振动方向与光轴成θ角的平面偏振光垂直入射到波片上后，会产生振动

6、方向相互垂直的e光和o光，其E矢量大小分别为Ee=Ecosθ，Eo=Esinθ，通过波片后，二者产生一附加相位差。离开波片时合成波的偏振性质，决定于相位差δ和θ。如果入射线偏振光的振动方向与波片的图1光轴的夹角为0或π/2，则任何波片对它都不起作用，即从波片出射的光仍旧是原来的线偏振光。而如果θ不为0或π/2，线偏振光通过1/2波片后，出来的仍然是线偏振光，但它的振动方向将旋转2θ，即出射光和入射光的电矢量对称于光轴。线偏振光经过1/4波片后，则可能产生线偏振光、圆偏振光和长轴与光轴垂直或平行的椭圆偏振光，这取决于入射线的偏振光振动方向与光轴夹角θ。5.偏振光的鉴别鉴别入射光的偏振

7、态须借助于检偏器和1/4波片。使入射光通过检偏器后，检测其透射光强并转动检偏器：若出现透射光强为零（称为“消光”）现象，则入射光必为线偏振光；若透射光的强度没有变化，则可能为自然光或圆偏振光（或两者的混合）；若转动检偏器，透射光强虽有变化不出现消光现象，则入射光可能是椭圆偏振光或部分偏振光。进一步作鉴别须在入射光与检偏器之间插入一块1/4波片。若入射光是圆偏振光，则通过1/4波片后将转变成线偏振光，转动检偏器时就会看到消光现象；否则，就是自然光。若入射光是椭圆偏振光，