实验11 偏振光实验

光的干涉和衍射现象说明了光的波动性，但还不能说明光是横波还是纵波，光的偏振现象进一步表明光的横波性。最早发现光的偏振现象的是法国物理学家马吕斯（Malus），他在1808年研究双折射时发现折射的两束光在两个相互垂直的平面上偏振。此后又有布儒斯特（Brewster）定律和色偏振等一些新发现。偏振光的发现给惠更斯的波动说带来困难，而托马斯·杨却首先从中悟出光很可能是一种横波。菲涅尔经过多年的实验研究，与1821年正式提出了横波理论，完善了光的波动说，使光学进入了弹性以太时期，而揭示光的本质是电磁波则是50年以后的事了。

现今，光的偏振应用非常广泛。从立体电影、晶体性质研究到光学计算、光弹、薄膜、应力分析、光信息处理、光通讯等技术领域都有巧妙的应用。

【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．掌握玻片作用，观测圆偏振光和椭圆偏振光。

【实验仪器】

氦氖激光器，白光源，光学平台，底座（SZ-03，SZ-04，SZ-06），偏振片支架SZ-51，圆孔光阑，偏振片2个，白屏，1/4波片、1/2波片各一片，黑玻璃（劳埃得镜），光学测角台，冰洲石。

【实验原理】

 1．光的偏振性

光是电磁波，电磁波是横波，它的电矢量E和磁矢量H相互垂直，且均垂直于光的传播方向c。由于在光和物质的相互作用中起主要作用的是电矢量E，所以通常用电矢量E代表光的振动方向，电矢量E称为光矢量，并将电矢量E和光的传播方向c所构成的平面称为光振动面。按照光矢量的不同振动状态，分为五种不同的偏振状态。

光源发射的光是由大量原子或分子辐射构成的，由于大量原子或分子的热运动和辐射的随机性，它们所发射的光的振动面，出现在各个方向的几率是相同的。即在垂直于传播方向内，光矢量方向任意，且各方向振幅相等的光，称为自然光。

光在传播过程中，如果光矢量始终沿某一方向振动，迎着光看过去，光矢量的振动沿一条直线，这样的光称为线偏振光。因为线偏振光的光矢量保持在固定的光振动面内，所以线偏振光也称平面偏振光或完全偏振光。在发光过程中，有些光的振动面在某个特定方向上出现的几率大于其他方向，即在较长时间内电矢量在某一方向上较强，这种称为部分偏振光。还有一些光，其振动面的取向和电矢量的大小随时间作有规律的变化，且电矢量末端在垂直于传播方向的平面上轨迹呈椭圆或圆，这种光称为椭圆偏振光或圆偏振光，各种偏振光示意图如图1所示。

图1 自然光和偏振光

2．偏振片

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。偏振片是利用某些有机化合物晶体（电气石结晶体或硫酸典奎宁晶体）的二向色性，将其渗入透明塑料薄膜中，经定向拉制而成。它能吸收某一方向振动的光，而透过与此垂直方向振动的光，由于在应用时起的作用不同而叫法不同，用来产生偏振光的偏振片叫做起偏器，用来检验偏振光的偏振片叫做检偏器。实际上，起偏器和检偏器是通用的。

图2 起偏与检偏

按照马吕斯定律，强度为I0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度I为：

                             （1）

式中为入射偏振光的偏振化方向与检偏器透光方向之间的夹角，见图2，当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度I发生周期性变化。当=0°时，透射光强最大；当=90°时，透射光强为极小值（消光状态）；当0°