1、偏振光現象的觀察和分析摘要本實驗用半導體激光通過偏振片來產生線偏振光，使其分別通過1/4波片和1/2波片，通過測量不同方向上檢偏器透過的光的強度，判斷出出射光的偏振態。并證實了線偏振光通過1/4波片可以產生線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光，通過1/2波片可以產生線偏正光，驗證了馬呂斯定律。一、 引言振動方向對于傳播方向的不對稱性叫做偏振，它是橫波區別于其他縱波的一個最明顯的標志。只有橫波才能產生偏振現象，故光的偏振是光的波動性的又一例證。在垂直于傳播方向的平面內，包含一切可能方向的橫振動，且平均說來任一方向上具有相同的振幅，這種橫振動對稱于傳播方向的光稱為自然光（非偏振光）。凡其振動失去這種對稱

2、性的光統稱偏振光。偏振光的典型應用是偏光式3D技術，其普遍用于商業影院和其它高端應用。二、 實驗原理1.偏振光的種類光是一種電磁波，由于電磁波對物質的作用主要是電場，故在光學中把電場強度E 稱為光矢量。在垂直于光波傳播方向的平面內，光矢量可能有不同的振動方向，通常把光矢量保持一定振動方向上的狀態稱為偏振態。如果光在傳播過程中，若光矢量保持在固定平面上振動，這種振動狀態稱為平面振動態，此平面就稱為振動面。圖1 電矢量垂直于紙面的偏振光圖2 電矢量平行于紙面振光【1】光的五種偏振態： 線偏振光：在光的傳播過程中，只包含一種振動，其振動方向始終保持在同一平面內， 部分偏振光：光波包含一切可

3、能方向的橫振動，但不同方向上的振幅不等。 自然光：光波包含一切可能方向的橫振動，但不同方向上的振幅相等。 橢圓偏振光：在光的傳播過程中，空間每個點的電矢量均以光線為軸作旋轉運動，若它們的頻率相同并且有固定的位相差，則該點的合成振動的軌跡一般呈橢圓形。 圓偏振光：旋轉電矢量端點描出圓軌跡的光稱圓偏振光，是橢圓偏振光的特殊情形。2.線偏振的產生（1）偏振片利用某些有機化合物的“二向色性”制成，當自然光透過這種偏振片后，光矢量垂直于偏振片方向的分量幾乎完全被吸收，而平行方向的分量幾乎完全通過，因此透射光基本上為線偏振光。偏振片可以作為起偏器，也可以作為檢偏器檢驗偏振光的偏振方向。（2）雙折射產生偏振

4、自然光入射到雙折射晶體時，產生的尋常光(o光)和非尋常光（e光）都是線偏振光。3.波晶片即上述能發生雙折射的晶體，又稱波片。當光垂直入射到波片后，產生的o光和e光在波片中的傳播方向一致而傳播速度不同，因此導致它們產生了光程差，當波長為時，產生相位差，其中d為波片厚度，ne與no是e光與o光的主折射率。對于某種單色光，能產生相位差的波片為1/4波片；能產生的波片稱為1/2波片；能產生的波片稱為全波片。離開波片時合成波的偏振性質，確定于相位差和。線偏振光通過1/2波片后出射光和入射光的電矢量對稱于光軸；線偏振光通過1/4波片后可能產生線偏振光、圓偏振光和長軸與光軸垂直或平行的橢圓偏振光。4.偏振光

5、的檢驗表一 檢驗偏振光的類型【2】第一步令入射光通過偏振片1，改變偏振片1的透振方向P1，觀察透光強度的變化觀察到的現象有消光強度無變化強度有變化但無消光結論線偏振自然光或圓偏振部分偏振或橢圓偏振第二步a.令入射光一次通過1/4波片和偏振片2，改變偏振片2的透振方向P2，觀察透射光的光強度變化b.同a，只是1/4波片的光軸方向必須與第一步中偏振片1產生的強度極大或極小的透振方向重合觀察到的現象有消光無消光有消光無消光結論圓偏振自然光橢圓偏振部分偏振5.馬呂斯定律強度為I0的線偏振光,透過檢偏片后,透射光的強度(不考慮吸收)為： I=I0(cos)2 其中, 是入射線偏振光的光振動方向和偏振片偏

6、振化方向之間的夾角。三、 實驗裝置及過程實驗裝置：發出波長為 635nm 的紅光的半導體激光器； 2個偏振片，直徑 2cm，分別用作起偏器與檢偏器；2個1/4 波片，直徑 2cm；1個1/2 波片，直徑 1cm；數字式光功率計。實驗過程：1光路調節將一個偏振片靠近激光器作為起偏器，一個偏振片靠近功率計作為檢偏器。轉動A2一圈，發現其最大值不超過量程02mw，并調節A2達到消光狀態，記下此時其讀數。2. 驗證馬呂斯定律 以達到消光狀態時的A2的位置為零點，轉動A2每隔4°記下一次功率計的讀數。3. 1/4波片的作用將A2調整到消光位置后放入1/4波片，調整至消光。旋轉1/4波片，當分別

7、為15°、30°、45°、60°、75°、90°時，將旋轉360°，觀察光電流的變化情況和極值的出現情況。細測：選取30°作詳細測量，每隔10°記下對應的光功率。4.利用1/4波片組成1/2波片將兩個1/4波片放在一起，調節至產生消光現象，將兩波片轉動一定的角度破壞消光現象，調節A2再次達到消光狀態，如果其角度符合即形成1/2波片。5. 1/2波片的作用先不放1/2波片，轉調至消光，放1/2波片，改變1/2波片與激光振動方向夾角的數值，當其分別為15°、30°、45°、60&

8、#176;、75°、90°時，轉到達消光位置，記錄轉動角度。四、 實驗結果及分析1. 驗證馬呂斯定律圖1 功率計示數 I 與 cos² 作線性擬合其中 I=(1.881±0.02)cos²+(0.002± 0.001)，即光強正比于cos²2. 1/4波片的作用（1）粗測表2 粗測1/4波片轉過夾角后得到的偏振光性質偏振片逐漸旋轉360°現象1/4玻片轉角/°極大值/mW1/°極小值/mW2/°偏振性質151.5151160.098198橢圓偏振光1.5202840.10220301.

9、3471580.23968橢圓偏振光1.3503480.239248451.085100.578102最接近圓偏振光的橢圓偏振光1.1121960.581278601.353540.245324橢圓偏振光1.3562380.243134751.5102530.113344橢圓偏振光1.513640.112162901.6322690.000180線偏振光1.628900.0000分析：在實驗中觀察到橢圓偏振光和線偏振光，極大值和極小值均出現兩次。由1/4玻片的定義可知，線偏振光垂直入射到玻片上后，可將光沿快軸慢軸方向分解。當線偏振光與光軸夾角為0或90°時，光只有在o光或e光方向有分

10、量，因此透過去后仍然合成為線偏振光，振動方向不變。實驗中當為90°時，實驗現象與理論吻合，亦即在偏振光方向光強最大，與偏振光垂直方向出現消光。當線偏振光與光軸夾角為45°時，沿o光和e光方向的電矢量幅度相同，可知光分解為，因此理論上合成的光為圓偏振光，電矢量波面內以勻角速度旋轉。在實驗中，觀察到極大值與極小值的差最小時為45°，但此時仍然為橢圓偏振光。實驗中不為圓偏振光原因可能為：光學元件沒有和光軸完全垂直，引發角度誤差。波片對于o光和e光的吸收程度不完全相同。儀器本身原因，包括激光器的波動導致數值讀取誤差以及光功率計的最小讀數限制。.玻片并非完全均勻而且并非與激

11、光的波長完全吻合。當線偏振光與光軸夾角為其他角度時，沿o光和e光的電矢量幅度不同，可將光分解為，因此合成的光為橢圓偏振光，實驗與理論吻合。（2）選取30°細測，得到如下圖圖2 =30°光強詳細測量（1/4 波片）由上圖可以看出，該極坐標函數圖象成“雙橢圓餅”形，在檢偏器所轉的0360度之間，共達到兩次消光，兩次最大值，這正是橢圓偏振光的長軸和短軸的位置。本次細測以 10°為測量步長，極值點的位置會有幾度至十幾度的浮動，不過對圖像總體的“雙橢圓餅”形狀沒有太大的影響。3. 用兩個1/4波片組合成1/2波片根據1/2玻片定義，垂直入射的線偏振光分解為o光和e光，透過1

12、/2玻片后，兩光的相位差增加，以及等效為某個光矢量反向，而某個光矢量方向不變，從而合成光的光矢量與入射光的光矢量關于光軸對稱，也就是旋轉了。按步驟操作后，將、均轉動10度，功率計沒有出現明顯數值變化。再次旋轉10度，功率計仍不發生變化，可判斷此時兩個波片的光軸垂直。再次調節至消光后，將、均轉動10度，此時功率計示數發生了明顯變化，隨后將轉動20度左右后，重新出現消光現象。可認為調節出1/2波片。4. 1/2波片的作用圖3 與的線性擬合其中K=2.017±0.017 R2=0.99961，可知擬合情況較好五、 實驗結論1. 當線偏振光透過檢偏器時， 若檢偏器的透振方向與出射光振動方向夾角為，則出射光強 I=1.881cos²+0.002，基本正比于 cos²，即馬呂斯定律；2. 1/4波片讓線偏振光正交分解，當入射角時形成線偏振光；當時形成圓偏振光。當取其他角度時，出射光