满红亮 09级17班偏振光的产生和检验方法.doc

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本科生毕业论文（设计）

题 目： 偏振光的产生和检验方法

专业代码： 070201

作者姓名： 满 红 亮

学 号： 2 0 0 9 4 0 0 4 1 8

单 位： 物理科学与信息工程学院

指导教师： 吕太国

2013 年 5月 30

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聊城大学本科论文

目录

前言 4
1光的偏振现象的定义......................................4
1.1光的偏振性 ....................................................................................................4
2.实验原理 5
2.1偏振光........................................................5
2.1.1偏振光类别.............................................................................................................5
2.1.2光的偏振态.............................................................................................................6
2.2 平面光的产生.................................................6
2.2.1非金属便面的反射和折射....................................6
2.2.2 二向色性起偏........................................................................7
2.3圆偏振光和椭圆偏振光的产生和检验方法.........................7
2.3.1圆偏振光和椭圆偏振光的产生...............................7
2.3.2各种偏振态的检验和鉴别...................................9
3.实验内容及要求........................................ 10
3.1偏振光的定性研究.............................................10
3.2偏振光的检验.................................................11
3.2.1线偏振光通过片后的现象................................11
3.2.2用片产生椭圆偏振光....................................12
结论.....................................................14
应用.....................................................14
参考文献 15

致谢 16

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摘要

光的干涉和衍射揭示了广德博得波动性质，而光的偏振现象进一步证实了光波是横波。我们用偏振片通过自然光获取偏振光，通过各种不同的偏振片，来获得线性偏振光、椭圆偏振光和圆偏振等。通过实验装置，来观察各种偏振光通过不同波长的波片，产生的各种偏振现象，以此来揭开光的本质。
关键词：偏振光；偏振片；偏振状态

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偏振光的产生和检验方法

前言

干涉和衍射现象揭示了光的波动性，但还不能由此确定光是横波还是纵波，偏振现象则是判断横波最有力的证据。光的偏振有五种可能的状态：自然光、部分偏振光、线性偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。自然光的大多数光源发出的光是自然光，自然光不能直接显示偏振现象。我们可以使用一些光学元件或是利用具有一定的相位关系和振动方向的若干光波的叠加来获得各种偏振光通过光的偏振现象进一步证实了的叠加来获得各种偏振光.通过光的偏振现象进一步证实了光波是横波。我们研究偏振现象，不仅可以认识光的电磁波性质，而且可以对光的传播规律有许多新的认识。
我们对于偏振光的认识和研究，对已工业生产和科学实验就有重要的意义。偏光显微镜就是根据显色偏振原理制成的，其在矿物学、化学、金相学核医学等方面的应用一日益重要。另外在生活中偏振技术也有很多应用，在照相机镜头上加一个偏振片，就可以路过反射光的偏振而摄得清晰的照片。
1.光的偏振现象的定义
1.1 光的偏振性
波动分为两种：波的振动方向和传播方向相同的称为纵波；波的振东放行和传播方向相互垂直的波称为横波。在纵波的情况下，波的振动状态对传播方向具有对称性。对横波来说，在某一瞬间通过博得传播方向且包含振动矢量的那个平面显然和其他不包含振动矢量的任何平面有区别，这通常称为波的振动方向对传播方向没有对称性，波的振动方向对于传播方向不对称性叫做偏振，他是横波区别于纵波的一个最明显的标志，只有横波才有偏振现象。
我们知道光波是电磁波，因此光波的传播方向就是电磁波的传播方向，光波中的电矢量E和磁矢量H都与传播方向v垂直，因此光波是横波，它具有偏振性。
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在光和物质相互作用的过程中，主要起作用的是光波中的电矢量E，所以在讨论光的作用时，只需考虑电矢量E的振动。E称为光矢量，E的振动称为光振动。光的横波性只表明电矢量与光的传播方向垂直，在与传播方向垂直的平面内还可能有各种不同的振动状态。

2. 实验原理

2.1偏振光
2.1.1偏振光的类别
光波的振动方向与光波的传播方向垂直。自然光的振动在垂直于传播方向的平面内，取所有可能的方向，某一方向振动占优势的光叫部分偏振光，只在某一个固定方向振动的光线叫做线偏振光或平面偏振光。将非偏振光（如自然光）变成线偏振光的方法称为起偏，用以起偏的装置或元件叫做起偏器。光大体上有五种偏振状态，即线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、自然光和部分偏振光。其中线偏振光和圆偏振光由可看作椭圆偏振光的特例。
椭圆偏振光可视为两个沿同一方向传播的振动方向相互垂直的线偏振光（如图1所示，一个为电矢量，一个为）的合成：

（1) 式中A表示振幅，为二光波的圆频率，表示时间，为波矢的数值，是
两波的相对相位差。合成矢量 的端点在波面内描绘的轨迹为一椭圆。椭圆的X形状取向和旋转方向，由，和决定。当和时，椭圆偏振光变为圆偏振光；当，或者（或）=0时，椭圆偏振光变为线偏振光（图2）。

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本实验着重观察的是光的各种偏振态的改变。
2.1.2光的偏振态
凡是电振动只限于某一确定方向和该方向的负方向的光称为线偏振光（亦称平面偏振光）。在垂直于光传播方向的任一确定平面内，光波电矢量端点随时间作椭圆运动的光称作椭圆偏振光；作圆运动的称作圆偏振光。以上三种统称完全偏振光，若在垂直于光传播方向的平面（简称迎光平面）内，电矢量的取向与大小都随时间作无规则变化，且各方向的取向几率相同，彼此之间没有固定的位相关系，则称为自然光。自然光和线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光三者的任一个组合起来，就成为部分偏振光。

2.2平面偏振光的产生
2.2.1非金属便面的反射和折射。
光线斜射向非金属的光滑平面（如水、木头、玻璃等）时，反射光和反射光都会产生偏振现象，偏振的程度取决于光的入射角及反射角的性质。当反射角是某一数值而反射光为线偏振光时，该入射角叫起偏角。起偏角的数值a与反射物
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质的折射率n的关系是 tan a = n （2-2-1） 上式称为布儒斯特定律。如图3，根据此式可以简单地利用玻璃起偏，也可以用于测定物质的折射率。从空气中入射到介质，一般起偏角在53度到58度。
非金属表面反射的线偏振光的振动方向总是垂直于入射面，透射光是部分偏振光，使用多层玻璃组合成的玻璃堆，能得到很好的投射先偏振光，振动方向
平行于入射面。图3
2.2.2二向色性起偏
二向色性指的是有些晶体对振动方向不同的电矢量具有选择吸收的性质。最早使用的是天然具有二向性的晶体，例如电气石，她能强烈地吸收与晶体光轴垂直的电矢量，而对与光轴平行的电矢量吸收得较少。
广泛使用二向色性片是一种人造偏振片，他是有小晶体或分子在透明的薄膜上整齐地排列起来形成的，他会吸收一个方向上的电矢量，而让垂直该方向的电矢量几乎完全通过，能透过电矢量振动的方向就是人造偏振片的透振方向。

线偏振光的获得，有很多方法，除上面介绍的两种方法外，还有晶体双折射起偏等。我们在下面的波晶片中具体介绍。
2.3圆偏振光和椭圆偏振光的产生和检验方法
2.3.1圆偏振光和椭圆偏振光的产生
平面偏振光垂直入射晶片，如果光轴平行于晶片的表面，会产生比较特殊的双折射现象。这时，非常光e和寻常光o的传播方向是一致的，但速度不同，因此从晶片出射时会产生相位差

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式中表示单色光在真空中的波长，和分别为晶体中o光和e光的折射率，d为晶片厚度。
（1）如果晶片的厚度使产生的相位差
，
这样的晶片称为1/4波片。平面偏振光通过1/4波片后，透射光一般是椭圆偏振光；当a=/4时，则为圆偏振光；当a=0或/2时，椭圆偏振光退化为平面偏振光。由此可知，1/4波片可将平面偏振光变成椭圆偏振光；反之，它也可将椭圆偏振光或圆偏振光变成平面偏振光。
（2）如果晶片的厚度使产生的相位差（k=0,1,2,3，···），这样的晶片称为半波片。如果入射平面偏振的振动面与半波片光轴的夹角为a，则通过半波片后仍未平面偏振光，但其振动面相对于入射光的振动面转过角。

表1 线偏光通过波晶片后的偏振态
入射线偏光振动方向与波片光轴夹角θ
波片厚度
出射光偏振态
0°、90°
任意
与入射偏振态相同
任 意
λ片
与入射偏振态相同
45°
λ/2片
转过90°的线偏光
λ/4片
圆偏光
其它值
内切于正方形的椭圆偏光
θ≠0°、45°、90°
λ/2片
转过20°的线偏光
λ/4片
椭圆偏光，长短轴之比为tanθ、cotθ
其它值
内切于边长比为tanθ的矩形的椭圆偏光

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2.3.2各种偏振态的检验和鉴别
借助检偏器和1/4波晶片检验光的5种偏振态
1.只用检偏器（转动）：
对于线偏光可以出现极大和消光现象。
对于椭圆偏光和部分偏光可以出现极大和极小现象。
对于圆偏光和非偏光各方向光强不变。
2.用1/4波晶片和检偏器（转动） ：
对于非偏光（自然光）各方向光强不变。
对于圆偏光出现消光现象（原因）。
对于部分偏光仍出现极大和极小现象。
对于椭圆偏光，当把1/4波晶片的快慢轴放在光强极大位置时出现消光现象。

表2  鉴别各种偏振态的方法和步骤
第一步
第二步
第三步
结论
旋转检偏镜
在检偏镜前插入λ/4片
再旋转检偏镜
光强无变化
光轴方位任意
两明两零
圆偏光
光轴方位任意
光强无变化
自然光
光轴方位任意
两明两暗
自然光加圆偏光
两明两暗
—
—
线偏光
两明两暗（使检偏镜处于暗方位）
旋转λ/4片，使光强最暗，即使其光轴与检偏镜透振方向平行或垂直
两明两零
椭圆偏光
两明两暗
暗方位同前
两明两暗
暗方位同前
自然光加
线偏振光
自然光加
椭圆偏振光

3.实验内容及要求

3.1偏振光的定性研究
启动微机上的偏振光实验软件时，一定要打开放置在实验上的电控单元的电源开关，这样软件才能实现显示光电接收器的信号。在屏幕的最下方显示有当前角度和光装置。使小功率He-Ne激光束以布儒斯特角（约57°）入射平面镜、用白屏接受反射光在平面镜与白屏之间加入偏振片（与光束垂直）并使其转动到消光位置，此时偏振片与入射面垂直的方向就是偏振片的透振光轴。
【实验装置如下图】
激光器 透镜 起偏器P 波片
C

计算机 电控箱

光电接收器 检偏器 A

（1） 仔细阅读仪器说明书，熟悉个实验器件的功能和调节方法，熟悉实验软件的各种功能和使用方法。
（2） 光路调节。将激光器、两个格兰棱镜、探测器依次摆放在光学平台上，先调节激光器是激光束平行于平面，然后调节各器件使通光孔共线，同时使各镜面与光线垂直。调节方法为使所有反射光点与入射光重合，并通过线偏振光透过检偏器光强与检偏器转角额关系曲线检查光路是否已调好。
3.2.1线偏振光通过片后的现象
P为偏振片，A检偏器，C为片或为片。
（1） 了解偏振片P、检偏器A的作用。在光电接收器与光源S之间，放入偏振片P，看透射光的强度有无变化，再放入检偏器A，转A，观察光透过A的强度怎样变化。
（2） 使P的透光方向竖直（是否必须竖直？），转A达到消光。在P、A间插入片转动，能看到几次消光，试加以解释。
（3） 把片任意转动一角度，破坏消光现象。再将A转动，又能看到几次消光？
（4） 仍使P的透光方向竖直，P、A正交，插入片，转之使光（此时片的轴或轴以及P的透光方向都沿着竖直方向）。以此时P和片不动，将P转，破坏消光。再沿与转P相反的方向转A至消光位置，记录A所转过的角度。继续（4）的实验，依次使（值是相对P的起始位置而言），转A到消光位置，记录相应的角度。
θ
θ′
线偏振光经λ/2片后振动方向转过的角度
0°

15°

30°

45°

60°

75°

90°

                     表3 数据记录表（一）

从上面实验结果能总结出什么规律？
3.2.2用片产生椭圆偏振光
（1） 、取下片，仍使P的透光方向竖直，正交。插入片，转之使消光。
（2） 、保持片不动，将P转过，然后将A转动，观察光强变化。（3）、继续（2），依次使，每次将A转动，观察光强的变化，根据观察结果画图或用文字说明透过片的出射光的偏振状态。
                 表4 数据记录表（二）
起偏器转动角度
A转观察到的现象
光的偏振状态

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误差分析：通过表3来看，记录的角度与理论角度存在一定的误差，误差在允许的范围内，其误差来源主要以下几个方面：
（1）系统误差：光路调节没有达到严格的精确，激光器的光束并没有完全的平行台面，各光学器件也不可能严格意义上的与光线垂直。反射光点与入射光点没有100%重合。再加上机器系统的信号传输也会对结果会有影响。
(2) 人为误差：人在读数时，存在视觉误差和读数误差；加上计算式存在四舍五入而造成一定的误差

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总结

(1)光是横波具有五种偏振态
(2)光与物质相互作用时会发生偏振态的改变
(3)偏振元件：偏振片、偏振棱镜、波片

应用

偏振光技术广泛应用于检查玻璃、塑料等的内应力，
桥梁、矿井、水坝和机械工件等的应力分布的监测和模拟。
地震预报。
糖度计
在现代科学技术中，薄膜有着广泛的应用。因此测量薄膜的技术也有了很大的发展，椭偏法就是70年代以来随着电子计算机的广泛应用而发展起来的目前已有的测量薄膜的最精确的方法之一。

参考文献

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[4]龙槐生，张仲先，谭恒英.光的偏振及其应用.机械工业出版社.1989.7
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[6]赵凯华,钟锡华.光学 [上册].北京:北京大学出版社,1981:191-192
[7]石星军.大学物理实验.北京:北京国防工业出版社,2006.3:143
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[14]母国兴，战元龄.光学（第2版）.高等教育出版社.2009.7
[15]谢敬辉,赵达尊,阎吉祥.物理光学教程.北京:北京理工出版社.2009.1

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致谢

历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师—吕太国老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正 ！

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