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实验十五 光偏振现象的观察和检验 1.观察光的偏振现象，了解偏振光的种类； 2.掌握偏振光的产生及检验方法； 3.了解波片的作用。 二、实验器材 氦氖激光光源（1个），1/2波片（1片），1/4波片（1片），偏振片（2片）??? ，底座（4个），光电转换器（1个）。 三、实验原理 （一）偏振光的种类 光是电磁波，光的偏振现象表明光是一种横波，即电磁振动方向与光的传播方向垂直。光作为电磁波，光波中含有电振动矢量和磁振动矢量，就光与物质的相互作用而言，起主要作用的是电矢量，通常称电矢量为光矢量。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。根据光矢量的振动状态，可以把光分为五种偏振态，结合图15-1认识下面几种偏振态的概念： 1.自然光：如果在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量的振动方向是无规则地变化着的，且发生在各个方向的概率均等，即各个方向的平均振幅相等,称此种光为自然光。 2.部分偏振光：如果某些方向光矢量的平均振幅较大，某些方向光矢量的平均振幅较小，则称为部分偏振光。 3.线偏振光：如果光矢量沿着一个固定方向振动，则称此种光为线偏振光或称平面偏振光。 4.椭圆偏振光：光矢量的大小和方向都作规则的变化，在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量的矢端运动轨迹是椭圆，称此种光为椭圆偏振光。 5.圆偏振光：当椭圆偏振光中光矢量的大小不变，只是方向作规则的变化，光矢量的矢端运动轨迹是圆，称此种光为圆偏振光。 ? （二）线偏振光的产生 1.用偏振片来获取线偏振光 偏振片是一种具有二向色性的晶体，所谓二向色性是指该晶体对两个相互垂直振动的光矢量具有不同的吸收本领。当自然光通过二向色性晶体时，其中一方向的振动几乎完全被吸收，则透射出来的光为线偏振光。 2.反射和折射产生偏振光 根据布儒斯特定律，当自然光以=arctan n的入射角入射到折射率为n的玻璃表面上时，其反射光为完全的线偏振光，振动面垂直于入射面，称为布儒斯特角。此时透射光为部分偏振光，如果自然光以角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。 （三）波片、椭圆偏振光和圆偏振光 如图15-2所示，从单轴双折射晶体上平行于光轴方向切下的薄片为波片。当一振幅为A的单色偏振光垂直入射到波片时，若光的振动面与波片光轴的夹角为角，则当其进入波片后分解为振动面相互垂直的O光和e光,其振幅分别为： ， ???????????????????????????????????????????????????? 开始时，这两束光无光程差也无相位差，但由于它们在晶体内传播的速度不相同，即O光和光的折射率(和)不同，因此穿过厚度为d的波片后就产生了光程差 ?与这一光程差相对应的振动相位差为?，式中为入射光在真空中的波长。经过波片后光矢量振动方程为： ，? 根据图15-2中取光线的方向为X轴方向，光轴为Z轴方向，波片后表面为OYZ表面，则 ，? 两振动在OYZ面内的合振动满足方程：?????? （15-1） 对于某种单色光，通过控制波片的厚度d，能使光和O光产生不同的光程差。 能使光和O光产生1/2波长光程差的波片称为 1/2? 波片；能使光和O光产生1/4波长光程差的波片称为 1/4? 波片； 1.1/2? 波片的作用 1/2波片可以使光和O光产生1/2波长光程差，即，，此时经1/2波片透射出来的光振动方程（15-1）转换为： ? 可见，当线偏振光光矢以与波片光轴的夹角为的方向入射到1/2波片，在其后面出射的光仍然是线偏振光，其光矢转过了2角。 2.1/4 波片的作用 1/4片可以使光和O光产生1/4长光程差，即，，此时合振动方程（15-1）转换为： ? ? ? ?  ????????????????????????? (15-3) ? 该方程为椭圆方程，表明线偏振光经过1/4波片后一般情况下为椭圆偏振光。但根据角的不同又分为三种情况： （1） ????????? ???? 或?? ? 显然，此时光经过1/4波片后仍为线偏振光。 （2）??????? ? 或 ? ?式15-8可以写成 ? ? 此时光经过1/4波片后为圆偏振光。 ? （3）当线偏振光经过1/4波片后，出射光为椭圆偏振光。 ? 四、实验内容与步骤 （一）线偏振光的产生与检验 1.打开激光源，在光源前面安装偏振片A（起偏器），调节光源及偏振片高度，让光源通过偏振片后照射到光电接收器的中心，微安表出现示数。 2.转动偏振片，透射出来的光强出现强弱的变化，这是因为激光源发出的是部分偏振光，因此需要转动偏振片至光强最强，即使微安表达最大读数。 3.在偏振片前再安装另外一个偏振片B(检偏器），转动检偏器一周观察电流的变化，把检偏器调节至电流为零的位置即消光位，记下检偏器上指针所指的