偏振光實驗是為了掌握分光計的工作原理，熟悉偏振光的原理和性質。驗證馬呂斯定律，並根據布儒斯特定律測定介質的折射率所作的一系列實驗。需要光源、起偏器和檢偏器（步進電機帶動）、1/4波片、光電探測器、微機及其接口、專用軟體等實驗儀器和設備。 當自然光經過起偏器後，可獲得線偏振光，再入射到1/4波片上，被分解為兩個振動分量（o光和e光）。
基本介紹
- 中文名：偏振光實驗
- 釋義：掌握分光計的工作原理熟悉偏振光
- 實驗目的：產生及檢驗方法了解偏振光的套用
- 儀器和設備：1/4波片、光電探測器
實驗目的,實驗用儀器和設備,實驗原理,實驗程式,參考文獻,
實驗目的
1. 觀察光的偏振現象，加深對其規律認識。
2. 了解產生和檢驗偏振光的光學元件及光電探測器的工作原理。
3. 掌握一些光的偏振態（自然光、線偏振光、部分偏振光、橢圓偏振光、圓偏振光）的鑑別方法以及相互的轉化。
實驗用儀器和設備
1. 光學麵包板（600´600´80mm）、He-Ne雷射器、光電探測器及探頭；
2. 光學調整架，桿架、接桿、桿架底座、叉式壓板；
3. 光學元件：偏振片、1/4波片、1/2波片。
實驗原理
1、自然光與偏振光
麥克斯韋指出光波是一種電磁波，電磁波是橫波。由於光與物質相互作用過程中反應比較明顯的是電矢量E，故此，常用E表征光波振動矢量，簡稱光矢量。一般光源發射的光波，其光矢量在垂直於傳播方向上的各向分布幾率相等，這種光就稱為自然光。光矢量在垂直於傳播方向上有規則變化則體現了光波的偏振特性。如果光矢量方向不變，大小隨相位變化，這時在垂直於光波傳播方向的平面上光矢量端點軌跡是一直線，則稱此光為線偏振光（平面偏振光），光矢量與傳播方向構成的平面叫振動面如圖1（a）。圖1(b)是線偏振光的圖示法，其中短線表示光矢量平行於紙面，圓點表示光矢量與紙面垂直。如果其光矢量是隨時間作有規律的改變，光矢量的末端在垂直於傳播方向的平面上的軌跡是圓或者橢圓，這樣的光相應的被稱為圓偏振光或者橢圓偏振光，如圖1（c）。 介於偏振光和自然光之間的還有一種叫部分偏振光，其光矢量在某一確定方向上最強，亦即有更多的光矢量趨於該方向，如圖1（d）。任一偏振光都可以用兩個振動方向互相垂直，相位有關聯的線偏振光來表示。
2、雙折射現象
當一束光入射到光學各向異性的介質時，折射光往往有兩束，這種現象稱為雙折射。冰洲石（方解石）就是典型的雙折射晶體，如通過它觀察物體可以看到兩個像。當一束雷射正入射於冰洲石時，若表面已拋光則將有兩束光出射，其中一束光不偏折，即o光，它遵守通常的折射定律，稱為尋常光。另一束髮生了偏折，即e光，它不遵守通常的折射定律，稱為非常光。用偏振片檢查可以發現，這兩束光都是線偏振光，但其振動方向不同，其兩束光的光矢量近於垂直。晶體中可以找到一個特殊方向，在這個方向上無雙折射現象，這個方向稱為晶體的光軸，也就是說在光軸方向o光和e光的傳播速度、折射率是相等的。此處特彆強調光軸是一個方向，不是一條直線。只有一個光軸的晶體稱為單軸晶體，如冰洲石，石英，紅寶石，冰等，其中又分為負晶體（o光折射率大於e光折射率，即no>ne）和正晶體（no<ne）。有一些晶體有二個光軸方向，此種晶體稱為雙軸晶體，如雲母、藍寶石、橄欖石、硫磺等。
3、二向色性
光在某些晶體中傳播時，晶體對o光和e光的吸收是不一樣的，此特性稱為二向色性。例如電氣石的礦石晶體，對o光有強烈的吸收作用，而對e光則吸收很少。當自然光通過電氣石晶片時，在很短的路程中o光就被全部吸收，因此通過的光是與晶體內e光相應的線偏振光，利用這一性質可以用來產生線偏振光。
4、起偏和檢偏
根據晶體的二向色性，可製作偏振片（定義：偏振片允許透過的光矢量方向為其透光軸），它能將自然光變為線偏振光，此時偏振片稱為起偏器；當偏振片用於檢驗偏振光的狀態時，稱為檢偏器。
5、馬呂斯定律
1808年，馬呂斯實驗中指出，強度為Io的線偏振光透過偏振片後，透射光的強度為：
I=I0cosq (1)
式中，q是兩個偏振片透光軸之間的夾角，第1個偏振片用於將光源變為線偏振光，第2個則是用於檢偏。顯然兩個偏振片平行放置，透過的光強最大；垂直時，處於消光狀態。
6、波片-位相延遲器
波片也稱位相延遲器，是由雙折射晶體製成的平板狀光學元件，其厚度為d且光軸平行於表面。當一束單色平行自然光正入射到波晶片上時，光在晶體內部便分解為o光與e光。o光電矢量垂直於光軸；e光電矢量平行於光軸。o光和e光的傳播方向不變，但由於傳播速度不同，兩束光的相位差可表示為，
d=2p(no-ne)d/l (2)
式中l為光波在真空中的波長。通過調節雙折射晶體的厚度，可以製作不同的波片，如下
1/4波片：d=±（2k+1）p/2 (k=1，2，3……)
1/2波片：d=±（2k+1）p (k=1，2，3……)
全波片：d=±2kp (k=1，2，3……)
一般來說，不論是任何波片都是相對一定波長而言。假如選擇不同波長的光源，需要採用消色差波片，它是由幾層不同的聚合物或晶體精確對準層疊而成的，其優點是在一定的頻寬之內延遲量對波長的變化不敏感。波片按材料分，常見的有各種晶體波片，和聚合物波片，液晶波片。常用的晶體包括雲母，方解石，石英等。另外液晶波片（液晶相位延遲器）是一種新型的可控相位延遲器，通過控制加在液晶兩邊的電壓，可以改變液晶的雙折射係數，從而改變通過液晶波片光的相位差。
本實驗中採用雲母波片，其適用的波長為632.8nm。
（1）當線偏振光通過全波片時，其偏振態不變；
（2）當線偏振光通過半波片時，仍然為線偏振光，但其光矢量的振動面轉動了2q；
（3）當線偏振光通過1/4波片時，變為橢圓偏振光，當偏振片的透光軸與波片光軸夾角為45時，為圓偏振光。
7、橢圓偏振光通過檢偏器後的光強
圖2 |
我們以圖2為例說明橢圓偏振光通過檢偏器後的光強變化。如圖P1為起偏器，C為1/4波片，P2為檢偏器。當一束光通過P1後，變為線偏振光，其振幅為A，當P1透光軸與C光軸夾角q不為0, 45, 90時，通過波片C後即為橢圓偏振光。波片C是雙折射晶體，分解為o光和e光，其振幅分別為：Ao=Asinq，Ae=Acosq，這裡，Ao和Ae會產生相位差d。當o光和e光通過檢偏器P2時，顯然只有與P2透光軸平行的分量才能通過。設P2透光軸與C光軸夾角為j，則o光和e光通過P2後的振幅為，
Aee=Aecosj=Acosqcosj (3)
Aoe=Aosinj=Asinqsinj (4)
這裡需注意，Aee和Aoe反向，故兩者的相位差除了p/2，還要附加一個相位差p。這兩束光的方向和頻率相同，相位差恆定，合成之後的振幅為，
A2=(Aee+Aoe+2AeeAoecosd¢) (d¢=3/2 pÞ cosd¢=0) (5)
光強為I= Aee+Aoe= A (cosq cosj+ sinqsinj)
實驗程式
（1）觀察雷射光源的偏振態
要求：光源等高傳播，與偏振片、光電探測器同軸（通過其中心），正入射，旋轉偏振片，每隔10記錄光強，旋轉一周，極坐標作圖光強I與角度的關係（I-q），推薦origin軟體。
（2）驗證馬呂斯定律，研究透過兩偏振器後的光強I與它們透光軸間夾角q的關係
要求：光源等高傳播，與兩個偏振片P1P2、光電探測器同軸，正入射，旋轉P2，觀察光強變化及隨角度變化的對稱性，最佳化光路後，每隔10記錄光強，，旋轉一周，極坐標作圖I-q，直角坐標作圖I-cosq。
（3）判別1/4波片與1/2波片，寫出依據。
要求：測量當線偏陣光通過1/2波片後，其透光軸變化的角度，至少測量5組數據，根據原理自行設計。
（4）通過1/4波片產生圓偏振光，最佳化光學元件的調節，記錄結果。
要求：光源等高傳播，與兩個偏振片P1P2、1/4波片、光電探測器同軸，正入射。
程式：P1與P2正交，保持消光狀態；在中間插入1/4波片，轉動波片使得光強最小（消光狀態），再轉動波片45；旋轉P2觀察光強變化範圍；最佳化調節，儘量使得P1、P2、波片接近平行狀態，觀察光強變化範圍（調到你認為較好的狀態）；旋轉P2一周，每隔10記錄光強，極坐標作圖I-q的關係。
（5）測量橢圓偏振光通過檢偏器的光強
根據原理自行設計，極坐標作圖I-j的關係，與理論公式比較。
參考文獻
楊曉雪等，大學物理，華中科技大學出版社出版，2010年8月
熊永紅等，大學物理實驗，科學出版社出版，2007年8月
