光偏振现象的研究
1809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(反射、折射、吸收和散射等)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．本实验要求学习产生和鉴别各种偏振光并对其进行观察、分析和研究，从而了解和掌握偏振片、1/4波片和1/2波片的作用及应用，加深对光的偏振性质的认识．
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，且又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，可以把光分为五种偏振态：如光矢量沿着一个固定方向振动，称为线偏振光或平面偏振光；如在垂直于传播方向的平面内，光矢量的方向是任意的，且各个方向的振幅相等，则称为自然光；如果有的方向光矢量的振幅较大，有的方向振幅较小，则称为部分偏振光；如果光矢量的大小和方向随时间作周期性的变化，且光矢量的末端在垂直于光传播方向的平面内的轨迹是圆或椭圆，则分别称为圆偏振光或椭圆偏振光．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)反射和折射产生偏振
根据布儒斯特定律，当自然光以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，其反射光为完全的线偏振光，振动面垂直于入射面，而透射光为部分偏振光，称为布儒斯特角．如果自然光以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．玻璃片的数目越多，透射光的偏振度越高．
(2)偏振片
它是利用某些有机化合物晶体的“二向色性”制成的．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
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(如图1所示)．这两种光在晶体内的传播方向虽然一致，但它们在晶体内传播的速度却不相同(为什么?)．于是，e光和o光通过波晶片后就产生固定的相位差，
即（）
式中为入射光的波长，l为晶片的厚度，和分别为e和o光的主折射率。
对于某种单色光，能产生相位差的波晶片，称为此单色光的1/4波片；能产生的晶片，称为1/2波片；能产生波晶片，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，故光轴称为慢轴，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
由右图可知一束振动方向与光轴成角的平面偏振光垂直入射到波片上后，
会产生振动方向相互垂直的e和o光，其E矢量大小分别为、，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，决定于相位差和．如果入射线偏振光的振动方向与波片的光轴的夹角为0和，则任何波片对它都不起作用，即从波片出射的光仍为原来
的线偏振光．而如果不为0或，线偏振光通过1/2波片后，出来的也仍为线偏振光，但它振动方向将旋转，即出射光和入射光的电矢量对称于光轴．线偏振光通过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，这取决于入射线偏振光振动方向与光轴夹角．
5．偏振光的鉴别
鉴别人射光的偏振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“消光”)的现象，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，透射光强虽有变化但不出现消光现象，则入射光可能是椭圆偏振光或部分偏振光．要进一步作出鉴别，则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(为什么?)，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，当1/4波片的慢轴(或快轴)与被检的椭圆偏振光的长轴或短轴平行时，透射光也为线偏振光(为什么?)，于是转动检偏器也会出现消光现象；否则，就是部分偏振光．实验装置与器材
带布儒斯特窗片的He-Ne激光器，带有刻度盘的可旋转的1/4波片两块，检偏器(由偏振片和硅光电池组成，也带有刻度盘，可旋转)，检流计，电阻箱两只．
实验内容
本实验采用波长为632．8 nm的He-Ne激光器作光源，它能输出足够强的单色光，在激光器谐振腔内放有布儒斯特窗片，从而使出射的激光束是线偏振光(它的振动方向如何?为什么只有一块窗片，并不是玻片堆，出射的激光是线偏振光，而不是部分偏振光?如果不放这块窗片，该激光的偏振情况如何?如果把该窗片放在谐振腔外，则其激光的偏振情况如何?)．
图实验装置原理图
将各偏振元件按图2放好，暂时不放波片C，图中A为偏振片．先使A的透光轴与激光的电矢量垂直，于是产生消光现象，记下偏振片A消光时的位置读数A(0)．然后将1/4波片C放在检偏器的前面，旋转C，使再次出现消光现象(这时1/4波片的快轴与激光电矢量方向关系如何?)，记下1/4波片消光时的位置读数C(0)．
1．1/4波片的作用
旋转1/4波片C，以改变其慢(或快)轴与入射的线偏振光电矢量之间夹角．当角分别为15°、30°、45°、60°、75°、90°时，将A逐渐旋转360°，观察光电流的变化，出现几次极大和几次极小值，将光电流的极大值和极小值记录在表1中，此说明1/4波片出射光的偏振情况．
表1 1/4波片的作用
2．圆、椭圆偏振光的鉴别
单用一块偏振片无法区别圆偏振光和自然光，也无法区别椭圆偏振光和部分偏振光．请设计一个实验，要求用一块l/4波片产生圆偏振光或椭圆偏振光，再用另一块1/4波片将其变成线偏振光．(该线偏振光振动方向是否还和原来一致?)记录下你的实验过程和实验结果．通过这个实验想一想：是否可借助于1/4波片把圆偏振光和自然光区别开来，把椭圆偏振光和部分偏振光区别开来，为什么?(可进行选做实验2。) 3．1/2波片的作用
(1)如图2所示的装置中，在C和A之间再插人一个1/4波片C’，使C和C’组成一个l/2波片(请考虑如何实现这一要求)．
(2)先不放C和A达到消光，然后在He—Ne激光器和A之间放上由C和C’组成的l/2波片，将此l/2波片转动360。，能看到几次消光?请加以解释．
(3)将C和C‘组成l/2波片任意转动一角度，破坏消光现象．再将A转动360。，又能看到几次消光?为什么?
(4)改变由C和C’所组成的l/2波片的慢(或快)轴与激光的振动方向之间夹角6的数值，使其分别为15。、30。、45。、60。、75。、90。．转A到消光位置，记录相应的角度．解释上面实验结果，并因此了解l/2波片的作用
思考题
1.如何利用测布儒斯特角的原理，确定一块偏振片透光轴的位置？
2．什么叫波片的快轴和慢轴?与光轴有何关系?
3．在本实验中，是否要确切知道波片的快轴或慢轴?
4．实验时为什么必须使入射光与波片表面垂直?
5．怎样判断1/4波片的慢(或快)轴与He—Ne激光器输出的线偏振光振动方向平行或垂直?
6．怎样判断两块1/4波片的慢轴已相互平行而组成一个1/2波片?
7．自然光垂直照在一块1/4波片上，再用一块偏振片观察该波片的透射光，转动偏振片360°，能看到什么现象?固定偏振片转动波片360°．又看到什么现象?为什么?
8．请指出用于偏振光实验的激光器在结构上有什么特点?
图2 二向色性起偏 图1 平面偏振光、自然光和部分偏振光 实验名称 光的偏振现象的研究 姓 名 学 号 班 级 桌 号 教 室 基础教学楼1406 实验日期 20 年 月 日 时段 指导教师 一. 实验目的 1. 观察光的偏振现象，加深对光偏振基本规律的认识。 2. 了解产生和检验偏振光的基本方法。 3. 验证马吕斯定律。 4．1/4波片，1/2波片的研究； 5.利用旋光现象测定蔗糖溶液浓度 二. 实验仪器 导轨和机座, 氦氖激光器（功率约5mW ）, 激光器架, 偏振片波片架, 滑动座(5个)， 光传感器(光电探头)，光功率测试仪，偏振片（两个），1/4波片（波长632.8nm ），1/2波片（波长632.8nm ），透明蔗糖溶液，螺丝刀 三. 实验原理（请携带并参阅大学物理课本） 1. 偏振光的基本概念 光波是一种电磁波，它的电矢量 和磁矢量 相互垂直，并垂直于光的传播方向C 。通常人们用电矢量 代表光的振动方向，并将电矢量和光的传播方向C 所构成的平面称为光的振动面。在传播过程中，电矢量的振动方向始终在某一确定方向的光称为平面偏振光或线偏振光，如图1(a)所示。振动面的取向和光波电矢 量的大小随时间作有规律的变化，光波电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆时，称为椭圆偏振光或圆偏振光，人眼逆光来看，若电矢量末端按照顺时针方向旋转，则称 评 分 教师签字
图3 双折射起偏原理图 为右旋椭圆或右旋圆偏振光，反之为左旋。通常光源发出的光波有与光波传播方向相垂直的一切可能的振动方向，没有一个方向的振动比其它方向更占优势。这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光，如图1(b)所示；如果光波电矢量的振动在传播过程中只是在某一确定方向上占优势，则此偏振光称为部分偏振光，如图1(c)所示。将自然光变成偏振光的器件称为起偏器，用来检验偏振光的器件称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是互为通用的。下面介绍几种常用的起偏和检偏方法。 ２. 二向色性起偏、马呂斯定律、双折射起偏及波片 物质对不同方向的光振动具有选择吸收的性质，称为二向色性。当自然光射到偏振片上时，振动方向与透振方向垂直的光被吸收，振动方向与透振方向平行的光透过偏振片，从而获得偏振光。自然光透过偏振片后，只剩下沿透光方向的光振动，透射光成为平面偏振光（见图2所示）。 若在偏振片P 1后面再放一偏振片P 2，P 2就可以用作检验经P 1后的光是否为偏振光，即P 2 起了检偏器的作用。当起偏器P 1和检偏器P 2的偏振化方向间有一夹角，则通过检偏器P 2的偏振光强度满足马呂斯定律： （1） 当θ= 时，I=I 0， 光强最大；当θ= 时，I =0，出现消光现象；当θ为其它值时，透射光强介于0～I 0之间。 （1）双折射起偏 某些单轴晶体（如方解石和石英等）具有双折射现象。当一束自然光射到这些晶体上时，在界面射入晶体内部的折射光常为传播方向不同的两束折射光线，这两束折射光是光矢量振动方向不同的线偏振光。其中一束折射光 ，称为寻常光（或O 光）；另一束折射光 ，其振动在 内，称为非常光（或e 光），如图3所示。 研究发现，这类晶体存在这样一个方向，沿该方向传播的光 ，该方向称为光轴。 主平面： 主截面： （2）反射和折射时光的偏振 自然光在两种透明媒质的界面上反射和折射时，反射光和折射光就能成为部分偏振光或平面偏振光，而且反射光中垂直入射面的振动较强，折射光中平行入射面的振动较强。实验发现，当改变入射角i 时，反射光的偏振程度也随之改变，当i 等于特定角0i 时，反射光只有垂直于入
偏振光的观察与分析 【实验内容及数据处理要求】 1）将半导体激光器、功率计探头与激光功率计后面板上的相应插座相连。 2）在光学导轨一端分别安装半导体激光器和功率计探头，开启功率计，选择直径为6.0 mm 的圆孔作为功率计 探头的入射光阑。 3）调整激光器、功率计探头在支架上的固定高度及激光器的二维调节螺旋，使激光束同轴等高地平行射入功率计探头的Φ6.0光阑孔中。 4）验证马吕斯定律 ① 在靠近激光器的一侧加入一个偏振片并调整其高度与激光器、功率计探头同轴等高。旋转偏振片使功率计的示数为极大值（功率计应选恰当档位，如2 mW ）。 ② 对功率计清零：先用白屏紧贴半导体激光器遮住激光，调节功率计的“调零”旋钮使其示数为0，然后拿走白屏。 ③ 在靠近功率计探头的一侧加入另一个偏振片（作检偏器），并调整其高度与之前安装的光学元件同轴等高，并对功率计清零。 ④ 转动检偏器直至功率计的示数恰好为零，记录下检偏器上的角度θ0和功率计示数；接着以此角度为基准，沿同一方向转动检偏器，每转15°就记录下检偏器上的角度θ和相应的功率计示数。 数据处理要求：以加入检偏器后功率计的最大示数作为I 0，先由马吕斯定律计算出各相对角度α所对应的理论功率，然后在同一坐标纸上绘出马吕斯定律的理论曲线和实测值拟合曲线，计算各α对应功率值的百分偏差，并根据结果得出是否验证的结论。 注意：相对角度α（090θθ=-?-）是因为功率计示数为0时，检偏器与起偏器的透振方向夹角为90°。实验中每加入一个光学元件，就需要对功率计进行清零，以消除由该元件折射、反射进入功率计探头的杂散光对实验结果的影响。 5）产生和鉴别（椭）圆偏振光 ① 紧接4）的第④步，转动检偏器重新使功率计示数为零（系统处于消光状态）此时检偏器的角度记为初始位置0θ。 ② 在起偏器和检偏器之间插入1/4波片，旋转1/4波片角度使功率计示数有极大值，然后调整1/4波片使与之前安装的光学元件同轴等高，并对功率计清零。 ③旋转1/4波片使系统重新进入消光状态（1/4波片的光轴与起偏器的透振方向平行或垂直），此时1/4波片的角度记为φ0。 缓慢旋转检偏器一周，记录功率计出现的4个极值及与之相应的检偏器角度θ。 ④ 以φ0为基准沿同一方向旋转1/4波片，每旋转15°，先记录检偏器在初始位置θ0时功率计的示数，然后缓慢旋转检偏器一周，记录功率计出现的4个极值及与之相应的检偏器角度θ。 数据处理：分析得出1/4波片转动0°、30°、45°、60°、90°等时出射光的偏振状态，并讨论1/4波片对线偏振入射光偏振态的影响。
偏振光的观测与研究 光的干涉与衍射实验证明了光的波动性质。本实验将进一步说明光就是横波而不就是纵波,即其E与H的振动方向就是垂直于光的传播方向的。光的偏振性证明了光就是横波,人们通过对光的偏振性质的研究,更深刻地认识了光的传播规律与光与物质的相互作用规律。目前偏振光的应用已遍及于工农业、医学、国防等部门。利用偏振光装置的各种精密仪器,已为科研、工程设计、生产技术的检验等,提供了极有价值的方法。 【实验目的】 1.观察光的偏振现象,加深偏振的基本概念。 2.了解偏振光的产生与检验方法。 3.观测布儒斯特角及测定玻璃折射率。 4.观测椭圆偏振光与圆偏振光。 【实验仪器】 光具座、激光器、偏振片、1/4波片、1/2波片、光电转换装置、光点检流计、观测布儒斯特角装置 图1 实验仪器实物图 【实验原理】 1.偏振光的基本概念 按照光的电磁理论,光波就就是电磁波,它的电矢量E与磁矢量H相互垂直。两者均垂直于光的传播方向。从视觉与感光材料的特性上瞧,引起视觉与化学反应的就是光的电矢量,通常用电矢量E代表光的振动方向,并将电矢量E与光的传播方向所构成的平面称为光振动面。 在传播过程中,光的振动方向始终在某一确定方位的光称为平面偏振光或线偏振光,如图2(a)。光源发射的光就是由大量原子或分子辐射构成的。由于热运动与辐射的随机性,大量原子或分子发射的光的振动面出现在各个方向的几率就是相同的。一般说,在10－6s内各个方向电矢量的时间平均值相等,故出现如图2(b)所示的所谓自然光。有些光的振动面在某个特定方向出现的几率大于其她方向,即在较长时间内电矢量在某一方向较强,这就就是如图2(c)所示的所谓部分偏振光。还有一些光,其振动面的取向与电矢量的大小随时间作有规则的变化,其电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的移动轨迹呈椭圆(或圆形),这样的光称为椭圆偏振光(或圆偏振光),如图2(c)所示。 图2 光波按偏振的分类 2.获得偏振光的常用方法 (1)非金属镜面的反射。 通常自然光在两种媒质的界面上反射与折射时,反射光与折射光都将成为部分偏振光。并且当入射角增大到某一特定值时,镜面反射光成为完全偏振光,其振动面垂直于入射面,如图3所示,这时入射角称为布儒斯特角,也称为起偏角。
实验7 光的偏振特性研究 光的干涉衍射现象揭示了光的波动性，但是还不能说明光波是纵波还是横波。而光的偏振现象清楚地显示其振动方向与传播方向垂直，说明光是横波。1808年法国物理学家马吕斯（Malus,1775—1812）研究双折射时发现折射的两束光在两个互相垂直的平面上偏振。此后又有布儒斯特（Brewster,1781—1868）定律和色偏振等一些新发现。 光的偏振有别于光的其它性质，人的感觉器官不能感觉偏振的存在。光的偏振使人们对光的传播规律(反射、折射、吸收和散射)有了新的认识。本实验通过对偏振光的观察、分析和测量，加深对光的偏振基本规律的认识和理解。 偏振光的应用很广泛，从立体电影、晶体性质研究到光学计量、光弹、薄膜、光通信、实验应力分析等技术领域都有巧妙的应用。 一、实验目的 1. 观察光的偏振现象，了解偏振光的产生方法和检验方法。 2. 了解波片的作用和用1/4波片产生椭圆和圆偏振光及其检验方法。 3. 通过布儒斯特角的测定，测得玻璃的折射率。 4. 验证马吕斯定律。 二、实验原理 1. 自然光和偏振光 光是一种电磁波，电磁波中的电矢量E就是光波的振动矢量，称作光矢量。通常，光源发出的光波，其电矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则的取向。在与传播方向垂直的平面内，光矢量可能有各种各样的振动状态，被称为光的偏振态。光的振动方向和传播方向所组成的平面称为振动面。按照光矢量振动的不同状态，通常把光波分为自然光、部分偏振光、线偏振光（平面偏振光）、圆偏振光和椭圆偏振光五种形式。 如果光矢量的方向是任意的，且在各方向上光矢量大小的时间平均值是相等的，这种光称为自然光。自然光通过介质的反射、折射、吸收和散射后，光波的电矢量的振动在某个方向具有相对优势，而使其分布对传播方向不再对称。具有这种取向特征的光，统称为偏振光。 偏振光可分为部分偏振光、线偏振光（平面偏振光）、圆偏振光和椭圆偏振光。如果光矢量可以采取任何方向，但不同方向的振幅不同，某一方向振动的振幅最强，而与该方向垂直的方向振动最弱，这种光为部分偏振光。如果光矢量的振动限于某一固定方向，则这种光称为线偏振光或平面偏振光。如果光矢量的大小和方向随时间作有规律的变化，且光矢量的末端在垂直于传播方向的平面内的轨迹是椭圆，则称为椭圆偏振光；如果是圆则称为圆偏振光。 将自然光变成偏振光的过程称为起偏，用于起偏的装置称为起偏器；鉴别光的偏振状态的过程称为检偏，它所使用的装置称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是可以通用的。本实验所用的起偏器和检偏器均为分子型薄膜偏振片。
大学物理实验报告【实验名称】偏振光的分析 【实验目的】 1．观察光的偏振现象，巩固理论知识，加深对光的偏振现象的认识。 2．学习直线偏振光的产生与检验方法，了解圆偏振光和正椭圆偏振光的产生和定性检验方法。 【实验仪器】 He-Ne 激光器、光具座、偏振片（两块）、632.8nm 的1/4 波片（两块）、玻璃平板及刻度盘、白屏等。 【实验原理】 1．光的偏振状态 偏振是指振动方向相对于波的传播方向的一种空间取向作用。它是横波的重要特性。光在传播过程中，若电矢量的振动只局限在某一确定平面内，这种光称为直线偏振光，又叫平面偏振光（因其电矢量的振动在同一平面内）；若光波电矢量的振动随时间作有规律的改变，即电矢量的末端在垂直于光传播方向的平面上的轨迹是圆或椭圆，这样的光称为圆偏振光和椭圆偏振光；若光波电矢量的振动只在某一确定的方向上占优势，而在和它正交的方向上最弱，各方向的振动无固定的位相关系，这种光称为部分偏振光。直线偏振光垂直通过波片的偏振状态 入射线偏振光的振动方向 与波片光轴间的夹角 光 ≠ 0°，≠ 45°，≠ 90° 转过2的直线偏振光 正椭圆偏振光，长短轴之 比为tg，ctg 内切于边长比为tg的矩 形的椭圆偏振光
【实验内容】 1.测定玻璃对激光波长的折射率 2.产生并检验圆偏振光 3.产生并检验椭圆偏振光 【数据表格与数据记录】 pιl p2I i p3 =^l-^I = ∣250o-307o∣ = 57o i pi =?φ1-φ↑=∣250o - 306o∣ = 56°i p5 =^l-^I= ∣250o - 308o∣ = 58o. =?φ1~φ↑=∣250o-307o∣ = 57o ^=^l-^I = I250o-306o∣ = 56° -_ G+?…+S? _ s7o I P _ γ_ D 7 tan- n- tan57o =1.5399 现象：两次最亮，两次消光。结论：圆偏振光
实验七 偏振现象的观测与分析 一、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。 二、实验仪器 氦氖激光器、偏振片（2片）、半波片、光屏、凸透镜 三、实验原理 1 能使自然光变成偏振光的装置或器件，称起偏器；用来检验偏振光的装置或器件， 称检偏器。按光的振动状态不同，可分为自然光，线偏振光，部分偏振光，圆偏振光和椭圆偏振光。沿同一方向传播的两列频率相同的线偏振光，如果他们的振动方向垂直且具有固定的相位差ΔΦ，当ΔΦ＝k π （k ＝0，±1，…）合成光矢量末端的轨迹是一条直线，称为线偏振光，当ΔΦ＝（2k ＋1）π/2 ，且振幅相等时，合成光矢量末端的轨迹是圆，称为圆偏振光，其它情况当 ΔΦ≠k π和ΔΦ≠（2k ＋1）π/2 时则为椭圆偏振光。如图1所示。 （其中点表示垂直于纸面振动的光，直线为平行于纸面振动的光） 2 偏振片：对某一方向的光有强烈的吸收，而对与之垂直的光振动则吸收很少，这样的波 片称偏振片。因此偏振片基本上只允许某一特定方向的光振动通过，这一方向称之为偏振片的偏振方向。 3 由晶体双折射产生偏振 一束光照射到晶体上会产生双折射现象，出来两束光线，一束o 光，一束e 光。 O 光遵从折射定律，e 光不遵从折射定律。 光轴：晶体内存在一个特殊方向，光沿该方向传播时不产生双折射现象。 主平面：由光线和光轴组成的平面。O 光的光振动垂直与主平面，e 光的光振动在主平 面内。 4 半波片的原理 如图（2）所示，当振幅为A 的平面偏振光垂直入射到表面平行光轴的双折射晶片时，若振动方向与晶片光轴的夹角为α，则在晶片表面上o 光和e 光的振动分别为Asin α 和Acos α，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δ。而且有： 自然光： 部分偏振光： 线偏振光： 图1
图 2 二向色性起偏 图1 平面偏振光、自然光和部分偏振光 实验名称 光的偏振现象的研究 姓 名 学 号 班 级 桌 号 教 室 基础教学楼1406 实验日期 20 年 月 日 时段 指导教师 一. 实验目的 1. 观察光的偏振现象，加深对光偏振基本规律的认识。 2. 了解产生和检验偏振光的基本方法。 3. 验证马吕斯定律。 4．1/4波片，1/2波片的研究； 5.利用旋光现象测定蔗糖溶液浓度 二. 实验仪器 导轨和机座, 氦氖激光器（功率约5mW ）, 激光器架, 偏振片波片架, 滑动座(5个)， 光传感器(光电探头)，光功率测试仪，偏振片（两个），1/4波片（波长632.8nm ），1/2波片（波1. 偏振光的基本概念 光波是一种电磁波，它的电矢量 和磁矢量 相互垂直，并垂直于光的传播方向C 。通常人们用电矢量 代表光的振动方在传播过程中，电矢量的振动方向始终在某一确定方向的光称为平面偏振光或线偏振光，如图1(a)所示。振动面的取向和光波电矢 量的大小随时间作有规律的变化，光波电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆时，称为椭圆偏振光或圆偏振光，人眼逆光来看，若电矢量末端按照顺时针方向旋转，则称 评 分 教师签字
图3 双折射起偏原理图 为右旋椭圆或右旋圆偏振光，反之为左旋。通常光源发出的光波有与光波传播方向相垂直的一切可能的振动方向，没有一个方向的振动比其它方向更占优势。这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光，如图1(b)所示；如果光波电矢量的振动在传播过程中只是在某一确定方向上占优势，则此偏振光称为部分偏振光，如图1(c)所示。将自然光变成偏振光的器件称为起偏器，用来检验偏振光的器件称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是互为通用的。下面介绍几种常用的起偏和检偏方法。 ２. 二向色性起偏、马呂斯定律、双折射起偏及波片 物质对不同方向的光振动具有选择吸收的性质，称为二向色性。当自然光射到偏振片上时，振动方向与透振方向垂直的光被吸收，振动方向与透振方向平行的光透过偏振片，从而获得偏振光。自然光透过偏振片后，只剩下沿透光方向的光振动，透射光成为平面偏振光（见图2所示）。 若在偏振片P 1后面再放一偏振片P 2，P 2就可以用作检验经P 1后的光是否为偏振光，即P 2 起了检偏器的作用。当起偏器P 1和检偏器P 2的偏振化方向间有一夹角，则通过检偏器P 2的偏振光强度满足马呂斯定律： （1） 当θ= 时，I=I 0， 光强最大；当θ= 时，I =0，出现消光现象；当θ为其它值时，透射光强介 于0～I 0之间。 （1）双折射起偏 某些单轴晶体（如方解石和石英等）具有双折射现象。当一束自然光射到这些晶体上时，在界面射入晶体内部的折射光常为传播方向不同的两束折射光线，这两束折射光是光矢量振动方向不同的线偏振光。其中一束折射光 ，称为寻常光（或O 光）；另一束折射光 ，其振动在 内，称为非常光（或e 光），如图3所示。 研究发现，这类晶体存在这样一个方向，沿该方向传播的光 ，该方向称为光轴。 主平面： 主截面： （2）反射和折射时光的偏振 自然光在两种透明媒质的界面上反射和折射时，反射光和折射光就能成为部分偏振光或平面偏振光，而且反射光中垂直入射面的振动较强，折射光中平行入射面的振动较强。实验发现，当改变入射角i 时，反射光的偏振程度也随之改变，当i 等于特定角0i 时，反射光只有垂直于入
实验报告 PB09214023葛志浩 PB09214047卢焘 2011-11-22 得分： 实验题目：偏振光的观察与研究 实验目的:1．观察光的偏振现象，加深偏振的基本概念。 2．了解偏振光的分类以及产生和检验方法，掌握马吕斯定律。 3．观测布儒斯特角及测定玻璃折射率。 4．观测椭圆偏振光和圆偏振光。 实验仪器：激光器，起偏器，检偏器，硅光电池，1/4波片，光电流放大器，分束板。 实验原理： 一，偏振光的基本概念和分类 光的偏振是指光的振动方向不变，或光矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆的现象。光有五种偏振态：自然光（非偏振光），线偏振光，部分偏振光，圆偏振光，椭圆偏振光 二，产生偏振光的方法： 1，利用光在界面反射和透射时光的偏振现象。 反射光中的垂直于入射面的光振动（称s 分量）多于平行于入射面的光振动（称p 分量）；而透射光则正好相反。在改变入射角的时候，出现了一个特殊的现象，即入射角为一特定值（称为布雷斯特角）时，反射光成为完全线偏振光（s 分量）。折射光为部分偏振光，而且此时的反射光线和折射光线垂直，这种现象称之为布儒斯特定律。该方法是可以获得线偏振光的方法之一。通过测量介质的布雷斯特角可以得到介质的折射率。 1 2 n n tg =α ）1（ 2，利用光学棱镜，如尼科尔棱镜，格兰棱镜等。 3，利用偏振片。 三，改变光的偏振态的元件——波晶片。 平面偏振光垂直入射晶片，如果光轴平行于晶片表面，会产生比较特殊的双折射现象，这时非常光e 和寻常光o 的传播方向是一致的，但速度不同，因而从晶片出射时会产生相位差。 线偏振光垂直入射1/4波片，其振动方向与波片光轴成角θ，则出射光的偏振态与θ的关系如下： 1，2 0π θ或=时，出射光为线偏振光； 2，4 π θ= 时，出射光为圆偏振光； 3，θ为其它值时，出射光为椭圆偏振光。 利用偏振片可以由自然光得到线偏振光，利用1/4波
第37卷第7期 光电工程V ol.37, No.7 2010年7月Opto-Electronic Engineering July, 2010 文章编号：1003-501X(2010)07-0024-06 空间目标的光学偏振特性研究 李雅男，孙晓兵，乔延利，洪津，张荞 ( 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室；安徽光学精密机械研究所，合肥 230031 ) 摘要：偏振特性是光与物质相互作用所表现的重要特性之一，与物质的性质密切相关。空间目标偏振特性可能会因为特定空间目标组成材料和空间目标轨道不同而存在差异，因此为空间目标的探测和识别提供了科学依据。本文通过空间目标材料以及典型空间目标模型的多角度偏振成像特性试验测量，分析了空间目标偏振特性及其变化机理。结果表明，空间目标表面材料的偏振特性对于目标的识别具有很重要的作用，太阳能电池板的姿态对卫星的偏振特性影响尤为明显。本文研究可以为空间目标光学偏振探测与识别提供应用基础研究支持。 关键词：物理光学；目标探测；偏振特性；空间目标 中图分类号：O436.2 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2010.07.005 Photopolarimetric Characteristic of Space Target LI Ya-nan，SUN Xiao-bing，QIAO Yan-li，HONG Jin，ZHANG Qiao ( Key Laboratory of Optical Calibration and Characterization, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China ) Abstract：Polarization is one of the important optical characteristics of target. Certain materials used in constructing satellites possess unique polarization because of certain space target designs and different orbits. Thus polarization can be considered for target detection and recognition. Photopolarimetric characteristic of space target materials and model are measured and analyzed. Results show that the polarization properties of material are significant for target detection, and the attitude of solar panel has great effect on the polarization of satellite. This research can give support to the application for space target detection and recognition. Key words：physical optics; target detection; polarization; space target 0 引 言 地基光学探测系统对深空目标的探测有重要的作用，为了达到探测和识别目标的目的目前已经发展了若干种探测手段[1]，例如，Sanchez等根据高轨碎片的光度特性来判断目标的生存状态以及特征[2]，通过同时性的多色测光来判断不同卫星平台[3]。Jorgensen等人表明由于不同材料的空间目标具有不同的光谱反射率，因此采用低色散光谱观测对于目标的识别有重要的作用[4]。而目标的偏振特性由于反映了材料的本征特性也在空间目标的探测中也得到了应用，Stead在美国俄亥俄州Sulphur Grove观测站，在光电望远镜上加上偏振分析器完成空间目标的偏振观测，测量到一个卫星的偏振度最大达39％[5]。Kissel研究表明空间目标反射太阳光的偏振程度是很高的，并将偏振结果看成由漫反射和镜反射混合而产生的，按照这种假设理论计算与观测结果符合的比较好，他认为这足以证明偏振特性可以作为研究空间目标材料在太空中所受的影响[6]，Beavers等人通过不同形状的卫星的光学偏振观测，表明偏振观测可以作为测试在轨目标状态、判断目标材料、探测目标在深空中暴露对其光学特性影响的一种手段，并将铝质材料和太阳能板表面的卫 收稿日期：2010-01-11；收到修改稿日期：2010-05-11 基金项目：国家863计划资助课题(2002AA731041)；安徽省红外与低温等离子体重点实验室基金项目资助课题(2007C003018F) 作者简介：李雅男(1984-)，女(汉族)，江西九江人。博士生，主要从事遥感信息定量化的研究。E-mail：yananli@https://www.doczj.com/doc/c710847078.html,。
实验3.8 偏振光的观测与研究 偏振光的理论意义和价值是，证明了光是横波。同时，偏振光在很多技术领域得到了广泛的应用。如偏振现象应用在摄影技术中可大大减小反射光的影响，利用电光效应制作电光开关等。 【实验目的】 1．通过观察光的偏振现象，加深对光波传播规律的认识。 2．掌握偏振光的产生和检验方法。 3．观察布儒斯特角及测定玻璃折射率。 4．观测圆偏振光和椭圆偏振光。 【实验仪器】 光具座、激光器、光点检流计、起偏器、检偏器、1/4波片、1/2波片、光电转换装置、观测布儒斯特角装置、带小孔光屏、钠光灯。 【实验原理】 按照光的电磁理论，光波就是电磁波，电磁波是横波，所以光波也是横波。在大多数情况下，电磁辐射同物质相互作用时，起主要作用的是电场，因此常以电矢量作为光波的振动矢量。其振动方向相对于传播方向的一种空间取向称为偏振，光的这种偏
振现象是横波的特征。 根据偏振的概念，如果电矢量的振动只限于某 一确定方向的光，称为平面偏振光，亦称线偏振光； 如果电矢量随时间作有规律的变化，其末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆（或圆），这样的光称为椭圆偏 振光（或圆偏振光）；若电矢量的取向与大小都随时间作无规则变 化，各方向的取向率相同，称为自然光，如图3-26所示；若电矢 量在某一确定的方向上最强，且各向的电振动无固定相位关系， 则称为偏振光。 1．获得偏振光的方法 （1）非金属镜面的反射，当自然光从空气照射在折射率为n 的非金属镜面（如玻璃、水等）上，反射光与折射光都将成为部 分偏振光。当入射角增大到某一特定值φ0时，镜面反射光成为完 全偏振光，其振动面垂直于射面，这时入射角φ称为布儒斯特角， 也称起偏振角，由布儒斯特定律得： 0tan n φ= （3-51） 其中，n 为折射率。 （2）多层玻璃片的折射，当自然光以布儒斯特角入射到叠在 一起的多层平行玻璃片上时，经过多次反射后透过的光就近似于 线偏振光，其振动在入射面。 图3-26 自然光
偏振现象的观察与分析研究 摘要：本课题研究的是光学实验中常用到的偏振光实验仪以及光的偏振性质，并对其中的旋光实验内容进行了扩充。内容主要包括以下几个部分：第一部分为光学的基础知识（尤其是偏振光）的介绍，包括光的分类、偏振光的获得、波晶片、半波片、四分之一波片；第二部分为对WZP-1偏振光实验仪结构和原理的简要介绍；第三部分为偏振光实验仪的调节与使用，包括仪器的调节、实验原理、实验步骤、实验结果及其分析和处理、实验注意事项。 关键词：偏振光马吕斯定律布儒斯特角波片旋光现象 Observation and Analysis of Polarization i
贵州民族学院毕业论文 Abstract: The study of the subject is commonly used in optical experiments to the experimental apparatus and the polarized nature of light polarization, and optical rotation experiment in which the content was expanded. Mainly includes the following sections: The first part of the experimental apparatus WZP-1 polarized light a brief description of the structure and principles; second part is the basics of optics (particularly polarized light) is introduced, including the classification of light, polarized light access to, wave chip, half slide, slide a quarter; third part is the regulation of polarized light and use of experimental apparatus, including instruments of regulation, experimental theory, experimental procedure, experimental results and analysis and processing, experimental Note. Keywords: Polarized-light Malus-law Brewster-angle Slide Optical-phenomena 目录 绪论 (1) 第1章光波的偏振态及其分析方法 (1) ii
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
光的偏振现象的研究 光的偏振现象是波动光学中的一种重要现象，在诸如光调制器、光开关、应力分析等方面有着广泛的应用。 实验目的 1.观察光的偏振现象，掌握起偏和检偏的方法，验证马吕斯定律。 2.了解产生椭圆偏振光和圆偏振光的方法及波片的作用，检测偏振光干涉的光强。 实验原理及方法 1. 自然光和偏振光 光波是一种电磁波，其电矢量E和磁矢量H相互垂直，且均与光的传播方向垂直。由于光对物质的作用主要是电矢量的作用，所以电矢量又称为光矢量。通常以电矢量的方向代表光的振动方向，并将电矢量和光传播方向所构成的平面称为振动面。 普通光源含有大量发光原子或分子。单个原子和分子发出的光，其光矢量有一定的方向，但大量的原子和分子发出的光其光矢量具有一切可能的方向，没有一个方向的振动比其它方向更占优势。在与光传播方向垂直的平面内，光矢量有均匀对称分布的特点。这种光称为自然光（非偏振光）。如果光振动在某一方向占优势，这种光称为部分偏振光；如果光矢量只沿某一固定方向振动，这种光称为线偏振光或平面偏振光，见图1。如果在垂直于光传播方向的平面内，光矢量以一定频率绕传播方向转动，其矢端轨迹为一个圆或椭圆，这种光称为圆偏振光或椭圆偏振光。 图1 能使自然光变为偏振光的器件称为起偏器，能够检验偏振态的器件称为检偏器（起偏器和检偏器一般可以通用）。产生和检验偏振光的过程分别称为起偏和检偏。下面介绍起偏和检偏的常用方法。 2. 产生平面偏振光的方法 2.1 二向色性起偏 某些晶体内部有一个特殊的方向（称为透光方向），沿透光方向的光振动几乎可以全部
透过，与透光方向垂直的光振动几乎全被吸收。这种选择吸收的特性称为二向色性。偏振片就是利用二向色性制成的器件，自然光透过偏振片后，只剩下沿透光方向的光振动，透射光成为平面偏振光，如图2所示。 图2 二向色性起偏 图3 晶体双折射起偏 2.2 双折射现象 自然光射到某些各向异性晶体（如方解石、石英等）上时，在晶体内分为两束平面偏振光，如图3所示。一束称为寻常光（o 光），另一束称为非常光（e 光），两束光的振动面相互垂直。这种现象称为双折射。利用双折射制成的起偏器有尼科尔棱镜、格兰棱镜等。 研究发现，光沿某特殊方向在晶体传播时不发生双折射，也不能起偏，这个方向称为双折射晶体的光轴。 如图4所示，当自然光投射到两种透明媒质的界面上时，反射光和折射光一般成为部分偏振光。如果入射角B ?满足布儒斯特定律 21/B tg n n ?= (n 1，n 2为二种媒质的折射率) 则反射光成为平面偏振光，其振动面垂直入射面，而透射光仍为部分偏振光。利用多块玻璃叠成的玻璃片，可以提高透射光的偏振程度，如图5所示。 图4 反射光和折射光的偏振态的变化 图5 用玻璃堆产生平面偏振光 3．1/4波片和圆偏振光、椭圆偏振光的产生 如图6所示，当振幅为A 的单色平面偏振光垂直射入双折射晶片后，产生双折射，入
北京师范大学物理实验教学中心普通物理实验室 偏振现象的观测和分析 实验仪器： 激光器，光电接收器，偏振片2个，1/2波片，1/4波片，玻璃片，白屏。 实验要求： 一、 线偏振光的产生与检验 激光器做光源，光电接收器前放偏振片1、2。将上述仪器调等高共轴。 旋转偏振片2 (即检偏器)，定性观察强度的变化，几个零值。从某个光电流为零的位置开始，旋转偏振片2一周，每隔150记录一次光电流的数值。在坐标纸（直角坐标或极坐标）上画出光强随检偏器角度的变化图，并解释实验结果。 提示：在光强最强处选择合适的光电接收器量程，在无光照射条件下校准零点，测量过程不要改变量程。 二、 波片性能的测定 1. 1/2波片的研究 （1）调节偏振片2，使得透射光最小（消光）。在两偏振片之间加入1/2波片，旋转1/2波片，使透射光强最小，记录下波片和偏振片2的位置（角度）。 （2）1/2波片改变一定的角度Δθ（比如....40,30,20,10 ），旋转检偏器，测量光强最小时检偏器相对初始位置的角度变化Δφ。研究Δφ与Δθ之间的关系。总结线偏振光透过1/2波片后偏振状态的变化规律。 2．1/4波片的研究 （1）取下1/2波片，旋转检偏振片使光电流为零，记录此时检偏振片的角度。把1/4波片放到两偏振片中间，旋转波片一周，记录光电流为零时的次数和角度，求出相对入射线偏振光振动方向间的角度。 （2）从某个光电流为零的位置开始，把1/4波片转过150，记录光电流数值。旋转检偏振片一周，每隔150记录一次电流值。画出光强极坐标分布图，说明实验结果所反映的波片性质。 （3）从某个光电流为零的位置开始，把1/4波片转过450，记录光电流数值。旋转检偏振片一周，每隔150记录一次电流值。画出光强极坐标分布图，说明实验结果所反映的波片性质。 三、 平面镜反射起偏，Brewster 角的测量（选做） 将玻璃片放置在载物台上，使激光经过起偏器后在玻璃面上反射，用白屏接收观察反射光的起偏程度。旋转偏振片找到光强极小位置，转动载物台，仔细找到光强为零的角度（探索调节的方法，理论上应该能够消光），记录游标读数1θ；转动载物台，让激光从平板玻璃的另一个反射面入射，旋转 偏振片找到光强极小位置，转动载物台，仔细找到光强为零的角度，记录游标读数2θ。则Brewster 角为21 22--θθπ 。求玻璃的折射率。 注意： 1、眼睛安全：严禁直视激光器！仪器安全：禁止手摸玻璃仪器表面。 2、由于激光有相当大的偏振度，只有透射光很强而反射光很弱时才能保证达到了Brewster 角。 课后问题： 如何判别圆偏振光和自然光？给出实验方案和预期结果。
图2 二向色性起偏 实验名称 光的偏振现象的研究 （请携带并参阅大学物理课本） 姓 名 学 号 班 级 桌 号 教 室 基教1406 实验日期 20 年 月 日 时段 指导教师 一. 实验目的 1. 观察光的偏振现象，加深对光偏振基本规律的认识； 2. 了解产生和检验偏振光的基本方法； 3. 验证马吕斯定律； 4．1/2波片，1/4波片的研究； 5.利用旋光现象测定蔗糖溶液浓度. 二. 实验仪器 导轨和机座, 带布儒斯特窗的氦氖激光器, 激光器架, 偏振片、波片架, 滑动座(4个)， 光传感器(光电探头)，光功率测试仪，偏振片（2个），1/2波片（波长632.8nm ），1/4波片（波 长632.8nm ），透明蔗糖溶液，螺丝刀。 三. 实验原理 1. 偏振光的基本概念 光波是一种电磁波，它的电矢量 和磁矢量 相互垂直，并垂直于光的传播方向C 。通常人们用电矢量 代表光的振动方向，并将电矢量和光的传播方向C 所构成的平面称为光的振动面。在传播过程中，电矢量的振动方向始终在某一确定方向的光称为平面偏振光或线偏振光，如图1(a)所示。振动面的取向和光波电矢 评 分 教师签字 图1 平面偏振光、自然光和部分偏振光
图3 双折射起偏原理图 量的大小随时间作有规律的变化，光波电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆时，称为椭圆偏振光或圆偏振光，人眼逆光来看，若电矢量末端按照顺时针方向旋转，则称为右旋椭圆或右旋圆偏振光，反之为左旋。通常光源发出的光波有与光波传播方向相垂直的一切可能的振动方向，没有一个方向的振动比其它方向更占优势。这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光，如图1(b)所示；如果光波电矢量的振动在传播过程中只是在某一确定方向上占优势，则此偏振光称为部分偏振光，如图1(c)所示。将自然光变成偏振光的器件称为起偏器，用来检验偏振光的器件称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是互为通用的。下面介绍几种常用的起偏和检偏方法。 ２. 二向色性起偏、马呂斯定律、双折射起偏及波片 物质对不同方向的光振动具有选择吸收的性质，称为二向色性。当自然光射到偏振片上时，振动方向与透振方向垂直的光被吸收，振动方向与透振方向平行的光透过偏振片，从而获得偏振光。自然光透过偏振片后，只剩下沿透光方向的光振动，透射光成为平面偏振光（见图2所示）。 若在偏振片P 1后面再放一偏振片P 2，P 2就可以用作检验经P 1后的光是否为偏振光，即P 2起了检偏器的作用。当起偏器P 1和检偏器P 2的偏振化方向间有一夹角，则通过检偏器P 2的偏振光强度满足马呂斯定律： （1） 当θ= 时，I=I 0， 光强最大；当θ= 时， I =0，出现消光现象；当θ为其它值时，透射光强介于0～I 0之间。 （1）双折射起偏 某些单轴晶体（如方解石和石英等）具有双折射现象。当一束自然光射到这些晶体上时，在界面射入晶体内部的折射光常为传播方向不同的两束折射光线，这两束折射光是光矢量振动方向不同的线偏振光。其中一束折射光 ，称为寻常光（或O 光）；另一束折射光 ，其振动在 内，称为非常光（或e 光），如图3所示。 研究发现，这类晶体存在这样一个方向，沿该方向传播的光 ，该方向称为光轴。 主平面： 主截面： （2）反射和折射时光的偏振 自然光在两种透明媒质的界面上反射和折射时，反射光和折射光就能成为部分偏振光或平面偏振光，而且反射光中垂直入射面的振动较强，折射光中平行入射面的振动较强。实验发现，
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i b =arctan n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，i b 称为布儒斯特角。如果自然光以i b 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