偏振光现象的观察和分析
引言：
光的偏振现象有法国工程师马吕斯首先发现。对光偏振现象的研究清楚地显示了光的横波性，加深了人们对光传播规律的认识。近年来光的偏振特性在光调制器、光开关、光学计量、应力分析、光信息处理、光通信、激光、光电子器件中都有广泛应用。
本实验利用偏振片和1/4波片观察光的偏振现象，并分析和研究各种偏振光。从而了解1/4波片和1/2波片的作用及应用，加深对光偏振性质的认识。
实验原理
1、 偏振光的种类。
光可按光适量的不同振动状态分为五类：
（1）线偏振光 （2）自然光 （3）部分偏振光
（4）园偏振光 （5）椭圆偏振光
使自然光变成偏振光的装置称为起偏器，用来检验偏振光的装置称为检偏器。
2、 线偏振光的产生。
（1）反射和折射产生偏振
自然光以 i B =arc tan n 的入射角从空气入射至折射率为n 的介质表面上时，反射光
为线偏振光。以 i B 入射到一叠平行玻璃堆上的自然光，透射出来后也为线偏振光。
（2）偏振片。
利用某些晶体的二向色性可使通过他的自然光变成线偏振光。
（3）双折射产生偏振。
自然光入射到双折射晶体后，出射的o 光和e 光都为线偏振光。
3、 波晶片
4、 线偏振光通过各种波片后偏振态的改变。
在光波的波面中取一直角坐标系，将电矢量E 分解为两个分量E X 和E y ，他们频率相同都为ω，设E y 相对E X 的相位差为∆φ，即有
E X =A x cos ωt （2）
E y =A y cos(ωt +∆φ) （3）
由（2）、（3）两式得，对于一般情况，两垂直振动的合成为： e 轴
O 轴 θ 光
轴
图 1
E x2 A x2+ E y2
A y2
−2 E x2 E y2
A x2A y2
cos∆φ=sin2∆φ（4）
注意对于线偏振光通过波片的情况∆φ取决于o光和e光入射时的相位差和由波晶片引起的相位差δ之和；而 E X为线偏振光振幅E在o轴的分量， E y为e轴的分量。
从上面垂直振动合成的一般情况出发可以得出以下结论：
（1）线偏振光的振动方向与波片的光轴夹角为θ或π/2，或者通过1/2波片仍为线偏振光。
（2）线偏振光通过1/4波片后可能产生线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光，这取决于入射光振动方向和光轴夹角θ。
5、偏振光的鉴别。
线偏振光：转动检偏器会出现“消光”现象。
自然光与圆偏振光：转动检偏器出射光强保持不变。但圆偏振光通过1/4波片转化为线偏振光，而自然光则不会，再加上检偏器即可鉴别自然光与圆偏振光。
椭圆偏振光与部分偏振光：转动检偏器出射光强出现极大和极小值，但不会“消光”。用1/4波片可把托椭圆偏振光转化为线偏振光，而部分偏振光则不会，再加上检偏器
即可鉴别自然光与圆偏振光。
实验内容及装置
1、打开实验装置，调节光电接收器的位置和角度，使激光正入射到光电接收器上。
2、在光具座上放入起偏器和检偏器A，旋转检偏器A，当光功率计示数最小时记录此时的
消光位置A0。
3、在起偏器和检偏器中间放入1/4波片C1，转动波片C1,当光功率计示数最小时记录此时
的消光位置C1(0)。
4、转动1/4波片，每转动15°记录A旋转360°观察到的现象，直到1/4波片转到90°。
5、取下C1，放上另一个1/4波片C2，同样记录C2的“消光”位置C2（0）。
6、根据测得的两个1/4波片的“消光”位置，把两个1/4波片组合为1/2波片。若同时旋
转两个1/4波片θ角度，出射的偏振光振动方向旋转2θ，则组合正确。若没有出现上述现象，则应把其中一个旋转90°后在组合。
7、把组合好的1/2波片放在起偏器和检偏器中间，转动1/2波片，每转动15°记录A转到
“消光”时的位置A’，A’- A0即为出射光振动方向转过的角度。
8、在两块偏振片中放入一块透明三角尺，在其中一块偏振片后观察出射光的现象。
9、观察玻璃和书的反射光在通过一块偏振片后的现象。
装置：
1、半导体激光器，发出激光波长为650nm，配有3V专用直流电源。
2、两个直径为2cm的偏振片。（注意：转盘上的0读数位置不一定是偏振轴所指方向）
3、两个直径为2cm的1/4波片。（注意：转盘上的0读数位置不一定是1/4波片得快轴或慢轴位置）
4、带光电接收器的数字式光功率计。量程分为2mW和200μW挡。
5、光具座。
6、遮光罩。
图为偏振光装置原理图
半导体激光器
实验结果
1、起偏器位置固定后，偏振片A的“消光”位置A0=165°，本底光功率P0=1.3μw。
放入1/4波片后，“消光”位置C1(0)=143°。
2、1/4波片的作用。
表1 旋转1/4波片不同角度所观察的现象
3、1/2波片的作用。
（1）另一个1/4波片“消光”位置C2(0)=251°。
（2）组合好1/2波片后，转动A到消光位置，转动1/2波片，每旋转90°出现一次消光，旋转360°一共出现4次消光。
（3）转动1/2波片任意角度，转动A可看到2次消光。
（4）
表2 旋转1/2波片不同角度所得偏振光转过角度
5、 用两块偏振片观察透明三角尺可看到彩色条纹，旋转后一个偏振片彩色条纹的颜色和位
置发生变化。
6、 用偏振片观察玻璃和书的反射光时，旋转偏振片360°，光强出现两次极大和极小。
分析与讨论
1、 在研究1/4波片作用的实验中，转动波片到消光位置时，此位置应为波片e 轴或o 轴的
位置。转动波片θ角度，则对应的光轴和入射光的夹角为θ或π
2−θ。假设起初波片e 轴和入射光振动方向相同，则夹角取θ。
于是偏振光进入1/4波片后可分解为：o 光E o =E sin θ和e 光E e =E cos θ。波片会引起o 光与e 光 π2
的相位差。
因此，当θ=k 2π时出射光的光强不变仍为E ，且振动方向沿着o 轴或e 轴。 当θ=k 2π+π4 时E o =E e 且他们的相位差δ=π
2，所以出射光应为圆偏振光。 当θ取其他角度时，由（4）式可得，出射光为椭圆偏振光，且当检偏器与椭圆长轴相对时为光强极大的位置，检偏器与椭圆短轴相对时为光强极小的位置。旋转检偏器一周会出现两次极大和极小值。
实验现象均与上述讨论相符合。
而θ=π
4时，之所以光强没有恒定，仍然出现极大和极小值的原因，我认为可能是波晶片对于o 光和e 光的吸收程度不一样，即通过波晶片后E o =E o ′，E e =E e ′。虽然入射时E o =E e ，但出射时E o ′≠E e ′。因此出射光的合成仍未椭圆偏振光，但是接近于圆偏振。
2、在研究1/2波片作用的实验中，入射光通过波片后会引起o 光与e 光 π 的相位差。
