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实验十五光偏振现象的观察和检验

一、实验目的

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=arctann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）