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实验一 光偏振实验
光的偏振现象是波动光学中一种重要现象，对于光的偏振现象的研究，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方面都有着广泛的应用。本实验将对光偏振的基本知识和性质进行观察、分析和研究。 【实验目的】
1、 了解偏振光的种类。着重了解和掌握线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光的产生及检验
方法
2、 了解和掌握1/4波片的作用及应用。 3、 了解和掌握1/2波片的作用及应用。 4、 验证马吕斯定律 【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：如矢量沿着一个固定方向振动，称线偏振光或平面偏振光；如在垂直于传播方向内，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。 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，其反射光为完全的线偏振光，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。 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、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2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。于是e光和o光通过波晶片后就产生固定的相位差δ，即??2??(ne?n0)l,式中λ为入射
光的波长，l为晶片的厚度，ne和no分别为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)π/2的波晶片，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；能产生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。
e λ 光 轴 入 射 方 光 向 振 θ 动 方 向 o 图2 波晶片
4、平面偏振光通过各种波片后偏振态的改变
由图2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后，会产生振动方向相互垂直的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。如果入射偏振光的振动方向与波片的光轴夹角为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为原来的线偏振光。而如果不为0或π/2，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2θ，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θ。 5、偏振光的鉴别
鉴别入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”）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，则需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波片后将变成线偏振光，当1/4波片的慢轴（或快轴）与被检测的椭圆偏振光的长轴或短轴平行时，透射光也为线偏振光，于是转动检偏器也会出现消光现象；否则，就是部分偏振光。 6、马吕斯定律
按照马吕斯定律，强度为Im的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为:
I?I0cos2?。式中，?为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角，I0为检偏器光轴
与起偏器光轴平行时出射光强，I0?Im（偏振片有吸收，反射）；显然，当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度I将发生周期性变化。当φ＝0°时，透射光强度最大；当φ＝90°时，透射光强为最小值（消光状态），接近于全暗；当0°＜φ＜90°时，透射强度I介于最大值和最小值之间。因此，根据透射光强度变化的情况，可以区别线偏振光、自然光和部分偏振光。图3表示自然光通过起偏器和检偏器的变化。
起偏器检偏器 图3 自然光通过起偏器和检偏器的变化
【实验仪器】
半导体激光器（它发出的波长为650nm,激光器配有3V专用直流电源）、两个固定在转盘上直径为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）、两个固定在转盘上直径为2cm的1/4波片（注意：转盘上的0读数位置不一定是1/4波片的快轴或慢轴位置）、带光电接收器的数字式光功率计（量程有2mW和200?W二档）、光具座、遮光罩、手电筒
激光器起偏器1/4波片1/4波片检偏器接收器
【实验内容】
实验采用波长为650nm的半导体激光器，它发出的是部分偏振光，为了得到线偏振光，需要在它前面加块起偏器P。为了使实验现象最明显，我们要使透过起偏器P的线偏振光光强最强，即使偏振片的偏振轴与激光最强的线偏振分量一致。将各偏振元件按图4放好，暂时先不放波片C和检偏器A。先使P的偏振轴与激光最强的线偏振分量方向一致，这时光功率计读数最大，透过起偏器P的线偏振光功率最大。
先使A的偏振轴与激光的电矢量垂直，因此出现消光现象，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A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平行或垂直，记下1/4波片C消光时位置读数C(0) 1．1/4波片的作用：
旋转1/4波片C，以改变其快（或慢）轴与入射线偏振光电矢量（即偏振片P偏振轴方向）之间夹角θ。当θ分别为15°、30°、45°、60°、75°、90°时，将A逐渐旋转360°, 观察光强的变化情况（通过光功率计观察），记下二次最大值和最小值，并注意最大和最小值之间偏振片Ａ是否转过约90°，并由此说明1/4波片出射光的偏振情况。