实验十九 偏振光分析
实验目的
1、观察光的偏振现象，加深对偏振光的了解。 2、掌握产生和检验偏振光的原理和方法。 实验装置（图19-1） 1：He-Ne激光器 3：光栅转台SZ-10 5：平面镜M
7：X轴旋转二维架（SZ-06） 8：偏振片
9：升降调节底座（SZ-03） 10：白屏（SZ-13） 11：升降调节底座（SZ-03）
2：升降调节底座SZ-03
4：升降调节底座SZ-03 6：X轴旋转二维架（SZ-06）5432167891011 图 19-1 非偏振光 实验原理 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。实际上，能产生偏振光的器件，同样可用作检偏器。 1、平面偏振光的产生 （1）由二向色性晶体的选择吸收产生偏振：有些晶体（如电气石、人造偏振片）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。当自然光通过二向色性晶体时，其中一成分的振动几乎被完合吸收，而另一成分的振动几乎没有损失（图19-2），因此，透射光就成为平面偏振光。利用偏振片可以获得截面较宽的偏振光束，而且造价低廉，使
平面偏振光
图 19-2
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用方便。偏振片的缺点是有颜色，光透过率稍低。
（2）由晶体双折射产生偏振
当自然光入射于某些各向异性晶体时，在晶体内折射后分解为两束平面偏振光，并以不同的速度在晶体内传播，可用某一方法使两束光分开，除去其中一束，剩余的一束就是平面偏振光。尼科耳（Nicol）棱镜是这类元件之一（图19-3）。它由两块经特殊切割的方解石晶体，用加拿大树胶合而成。透过尼科耳棱镜的平面偏振光的偏振面平行于晶体的主截面，垂直于主截面的偏振光被除掉。
AC48o14o14o68oB76oe光90oDo光 图19-3 尼科耳棱镜
2、圆偏振光和椭圆偏振光的产生
如图19-4所示，当振幅为A的平面偏振光垂直入射到表面平行于光轴的双折射晶片时，若振动方向与晶片光轴的夹角为?，则在晶片表面上o光和e光的振幅分别为Asin?和Acos?，它们的相位相同。进入晶片后，o光和e光虽然沿同一方向传播，但具有不同的速度。因此，经过厚度为d的晶片后，o光和e光之间将产生相差?
??2?(no?ne)d， ?0
d
光轴 （19-1）
N1AeαAAo起偏器（尼科耳棱镜）晶片图 19-4
式中?0表示光在真空中的波长，no和ne分别为晶体中o光和e光的折射率。
1(2k?1)?，k?0,1,2?，这样的晶片2称为1/4波片。平面偏振光通过1/4波片后，透射光一般是椭圆偏振光，当???/4
（1）如果晶片的厚度使产生的相差??时，则为圆偏振光；但当??0和?/2时，椭圆偏振光退化为平面偏振光。
换言之，1/4波片可将平面偏振光变成椭圆偏振光或圆偏振光；反之，它也可将椭圆偏振光或圆偏振光变成平面偏振光。
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（2）如果晶片的厚度使产生的相差??1(2k?1)?，k?0,1,2?，这样的晶片 2称为半波片。如果入射平面偏振光的振动面与半波片光轴的交角为?，则通过半波片后的光仍为平面偏振光，但其振动面相对于入射 光的振动面转过2?角。
3、平面偏振光通过检偏器后光强的变化 强度为I0的平面偏振光通过检偏器后的光强I?为
I??I0cos2?
（19-2）
其中?为平面偏振光偏振面和检验器主截面的夹角，此关系即马吕斯（Malus）定律。它表示改变?角可以改变透过检偏器的光强。
当起偏器和检偏器的取向使得通过的光量极大时，称它们为平行（此时??0）。当二者的取向使系统射出的光量极小时，称它们为正交（此时??90?）。
4、单色平面偏振光的干涉
如图19-5（a）所示，一束自然光经过起偏器（尼科耳棱镜可偏振片）N1，变成振幅为A的平面偏振光，再通过晶片K，射到检偏器（尼科耳棱镜或偏振片）N2上。图19-5（b）表示透过N2迎着光线观察到的振动情况，其中N1、N2及ZZ?分别表示起偏器的主截面、检偏器的主截面和晶片的光轴ZZ?的夹角。从晶片透过的两平面偏振光的振幅分别为：
起偏器N1晶片ZK检偏器N2Z＇N1（a）N2ZAeeαAoeβAeβZ＇（b）图 19-5
（19-3）
Ao?Asin?；Ae?Acos?.
它们的相差为?. 穿过N2后，只存在振动平行于N2主截面的分量Aoe主Aee，其大小为：
Aoe?Aosin??Asin??sin?， Aee?Aecos??Acos??cos?.
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（19-4）
可见这两束光是同频率、不等振幅、振动在同一平面内的相干光，因此，透射光的光强（按双光束干涉的光强计算方法）为
22I2?Aoe?Aee?2AoeAeecos?
??I1[cos2(???)?sin2??sin2??sin2]
2 （19-5）
式中I1?A2，它是从起偏器N1透射的平面偏振光的光强，从（19-5）式可以看出： （1）当?（或?）=0、?/2或?时。
I2?I1cos2(???)， （19-6）
即透射光强只与N1、N2两主截面的交角的余弦平方成正比，和不用晶片时一样。
（2）当N1与N2正交时，(???)??/2，则
?I2?I1sin22??sin2
2
（19-7）
如果晶片是半波片，则???，当?等于?/4的奇数倍时，I2?I1，即光透过N2，发生相长干涉；当?等于?/4的偶数倍时，I2?0，无光透过，发生相消干涉。由此可见，当半波片旋转一周时，视场内将出现四次消光现象。
（3）当N1与N2平行时，(???)?0，于是有
?I2?I1(1?sin22??sin2).
2实验内容
1、偏振片主截面的确定
如图19-6将一背面涂黑的玻璃片G立在铅直面内，激光器L射出的一细光束沿水平方向入射到玻璃片上，其反射光垂直射入偏振片N. 以反射光的方向为轴旋转偏振片N，从透过光强度的变化和反射未免的偏振面，可以确定偏振片的主截面，即透过光强极大时偏振片的主截面和反射光的偏振面一致。
GiLNP图19-6
（19-8）
可以看出，这时透过N2的光强恰与N1、N2正交时互补。
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在偏振片上标记其主截面的方向。 2、验证马吕斯定律
如图19-7安置仪器，使激光器L射出的光束，穿过起偏器N1和检偏器N2射到硅光电池Pc上，使N1N2正交，记录灵敏电流计上的示值。以下将检偏器每转一角度（10-15o）记录一次，直至转动90o为止，应重复几次。
PcN1LN2G 图19-7
自己设计利用这些数据验证马吕斯定律的方案。 3、考查半波片对偏振光的影响
（1）使用图19-7的装置，调N1、N2为正交，在N1N2间和N1平行放置半波片，以光线方向为轴将波片转360o，记录出现消光的次数和N2位置（角度）。
（2）使N1和N2正交，半波片的光轴和N1的主截面成?（10～15o）角，转N2使之再消光，记录N2的位置。改变?角，每次增加10～15o，同上测量直至?等于90o.
说明以上观察的记录。
4、椭圆偏振光、圆偏振光的产生与检验 实验装置同上，将半波片换成为1/4波片。
（1）使N1、N2正交，以光线方向为轴将波片转360o，记录观测的现象。 （2）使用起偏器N1和1/4波片产生椭圆偏振光，旋转检偏计N2观测光强的变化。记录波片光轴相对N1主截面的夹角?，以及转动N2光强极大、极小时N2主截面与波片光轴的夹角?. ?取不同值重复观测。（问：此观察结果和实难内容1的结果有根本区别吗？）
（3）使用N1和1/4波片产生圆偏振光（问：应当怎样安置1/4波片？）旋转N2进行观测并记录。
（4）为了区分椭圆偏振光和部分偏振光、圆偏振光和自然光，要在检偏器前再加一1/4波片去观测。
参照上记（2）、（3）获得椭圆偏振光和圆偏振光，如何获得部分偏振光自己
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偏振光分析
