偏振光学实验
光是一种电磁波，其电矢量的振动方向垂直于传播方向，是横波。由于一般光源发光机制的无
序性，其光波的电矢量的分布（方向和大小）对传播方向来说是对称的，称为自然光。当由于某种
原因，使光线的电矢量分布对其传播方向不再对称时，我们称这种光线为偏振光。对于偏振现象的
研究在光学发展史中有很重要的地位，光的偏振使人们对光的传播（反射、折射、吸收和散射）规
律有了新的认识，并在光学计量、晶体性质研究和实验应力分析等技术部门有广泛的应用。
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偏振光学实验
光是一种电磁波，其电矢量的振动方向垂直于传播方向，是横波。由于一般光源发光机制的无
序性，其光波的电矢量的分布（方向和大小）对传播方向来说是对称的，称为自然光。当由于某种
原因，使光线的电矢量分布对其传播方向不再对称时，我们称这种光线为偏振光。对于偏振现象的
研究在光学发展史中有很重要的地位，光的偏振使人们对光的传播（反射、折射、吸收和散射）规
律有了新的认识，并在光学计量、晶体性质研究和实验应力分析等技术部门有广泛的应用。
【实验目的】
1．观察光的偏振现象，验证马吕斯定律；
2．了解1 / 2波片、1 / 4波片的作用；
3．掌握椭圆偏振光、圆偏振光的产生与检测。
【实验原理】
1．光的偏振性
光是一种电磁波，由于电磁波对物质的作用主要是电场，故在光学中把电场强度E 称为光矢量。
在垂直于光波传播方向的平面内，光矢量可能有不同的振动方向，通常把光矢量保持一定振动方向
上的状态称为偏振态。如果光在传播过程中，若光矢量保持在固定平面上振动，这种振动状态称为
平面振动态，此平面就称为振动面（见图１）。此时光矢量在垂直与传播方向平面上的投影为一条直
线，故又称为线偏振态。若光矢量绕着传播方向旋转，其端点描绘的轨道为一个圆，这种偏振态称
为圆偏振态。如光矢量端点旋转的轨迹为一椭圆，就成为椭圆偏振态（见图2）。
普通光源发出的光一般是自然光，自然光不能直接显示出偏振想象。但自然光可以看成是两个
振幅相同，振动相互垂直的非相干平面偏振光的叠加。在自然光与平面偏振光之间有一种部分偏振
光，可以看作是一个平面偏振光与一个自然光混合而成的。其中的平面偏振光的振动方向就是这个
部分偏振光的振幅最大方向。
2．偏振片
虽然普通光源发出自然光，但在自然界中存在着各种偏振光，目前广泛使用的偏振光的器件是
人造偏振片，它利用二向色性获得偏振光（有些各向同性介质，在某种作用下会呈现各向异性，能
强烈吸收入射光矢量在某方向上的分量，而通过其垂直分量，从而使入射的自然光变为偏振光，介
质的这种性质称为二向色性。）。
偏振器件即可以用来使自然光变为平面偏振光——起偏，也可以用来鉴别线偏振光、自然光和
部分偏振光——检偏。用作起偏的偏振片叫做起偏器，用作检偏的偏振器件叫做检偏器。实际上，
起偏器和检偏器是通用的。
（a）电矢量垂直于纸面的平面偏振光
（b）电矢量平行于纸面的平面偏振光
图1 平面偏振光
图2 椭圆偏振光
2
3．马吕斯定律
设两偏振片的透振方向之间的夹角为a，透
过起偏器的线偏振光振幅为A0，则透过检偏器
的线偏振光的振幅为A
cosa 0 A = A
强度为I
a 2a
0 0
2 2
0 I = A cos = I cos （1）
式中I0为进入检偏器前（偏振片无吸收时）线
偏振光的强度。
（1）式是1809 年马吕斯在实验中发现，所以称马吕斯定律。显然，以光线传播方向为轴，转
动检偏器时，透射光强度I 将发生周期变化。若入射光是部分偏振光或椭圆偏振光，则极小值不为0。
若光强完全不变化，则入射光是自然光或圆偏振光。这样，根据透射光强度变化的情况，可将线偏
振光和自然光和部分偏振光区别开来。
4．椭圆偏振光、圆偏振光的产生；1/2 波片和1/4 波片的作用
当线偏振光垂直射入一块表面平行于光轴的晶片时，若其振动面与晶片的光轴成a 角，该线偏
振光将分为e 光、o 光两部分，它们的传播方向一致，但振动方向平行于光轴的e 光与振动方向垂
直于光轴的o 光在晶体中传播速度不同，因而产生的光程差为
( )e o D = d n - n
位相差为
2 ( )
e o = d n - n
l
p
d （2）
式中ne为e光的主折射率，no为o 光的主折射率（正晶体中，d ＞0，在负晶体中d ＜0）。d 为晶体
的厚度，如图4 所示。当光刚刚穿过晶体时，此两光的振动可分别表示如下：
( )w d
w
= +
=
E A t
E A t
y e
x o
cos
cos
（3）
式中Ae= A cosa，Ao= A sina，由（3）中的两式消去t，得轨迹方程
d 2d
2
2
2
2
+ - 2 cos = sin
o e
x y
e
y
o
x
A A
E E
A
E
A
E
（4）
这是个一般的椭圆方程。
当改变厚度d 时，光程差
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