偏振光的研究实验报告doc.docx

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偏振光的研究实验报告
篇一：偏振光的观测与研究~~实验报告
偏振光的观测与研究
光的干涉和衍射实验证明了光的波动性质。本实验将进 一步说明光是横波而不是纵波，即其E和H的振动方向是垂 直于光的传播方向的。光的偏振性证明了光是横波，人们通 过对光的偏振性质的研究，更深刻地认识了光的传播规律和 光与物质的相互作用规律。目前偏振光的应用已遍及于工农 业、医学、国防等部门。利用偏振光装置的各种精密仪器， 已为科研、工程设计、生产技术的检验等，提供了极有价值 的方法。
【实验目的】
1 ．观察光的偏振现象，加深偏振的基本概念。 2 ．了 解偏振光的产生和检验方法。 3．观测布儒斯特角及测定玻 璃折射率。 4．观测椭圆偏振光和圆偏振光。
【实验仪器】
光具座、激光器、偏振片、1/4波片、1/2波片、光电 转换装置、光点检流计、观测布儒斯特角装置
图1 实验仪器实物图
【实验原理】
1．偏振光的基本概念
按照光的电磁理论，光波就是电磁波，它的电矢量E和
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磁矢量H相互垂直。两者均垂直于光的传播方向。从视觉和 感光材料的特性上看，引起视觉和化学反应的是光的电矢量， 通常用电矢量E代表光的振动方向，并将电矢量E和光的传 播方向所构成的平面称为光振动面。 在传播过程中，光的 振动方向始终在某一确定方位的光称为平面偏振光或线偏 振光，如图2（a）。光源发射的光是由大量原子或分子辐射 构成的。由于热运动和辐射的随机性，大量原
子或分子发射的光的振动面出现在各个方向的几率是 相同的。一般说，在106s内各个方向电矢量的时间平均值 相等，故出现如图2（b）所示的所谓自然光。有些光的振动 面在某个特定方向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较强，这就是如图2（c）所示的所谓部 分偏振光。还有一些光，其振动面的取向和电矢量的大小随 时间作有规则的变化，其电矢量末端在垂直于传播方向的平 面上的移动轨迹呈椭圆（或圆形），这样的光称为椭圆偏振 光（或圆偏振光），如图2（c）所示。
图2 光波按偏振的分类 2．获得偏振光的常用方法 （1） 非金属镜面的反射。
通常自然光在两种媒质的界面上反射和折射时，反射光 和折射光都将成为部分偏振光。并且当入射角增大到某一特 定值 时，镜面反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于入
射面，如图3所示，这时入射角 称为布儒斯特角，也称为 起偏角。
由布儒斯特定律得：
其中 、 分别为两种介质的折射率， 为相对折射率。 如 果自然光从空气入射到玻璃表面而反射时，对于各种不同材 料的玻璃，已知其相对折射率n的变化范围在1.50到1.77 之间，则可得布儒斯特角 约在560—600之间。此方法可用 来测定物质的折射率。
(2)多层玻璃片的折射。
当自然光以布儒斯特角 入射到由多层平行玻璃片重叠 在一起构成的玻璃片堆上时，由于在各个界面上的反射光都 是振动面垂直入射面的线偏振光，故经过多次反射后，透出 来的透射光也就接近于振动方向平行于入射面的线偏振光。 (3)利用偏振片的二向色性起偏。
将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏。 某些有机化 合物晶体具有二向色性，它往往吸收某一振动方向的入射光， 而与此方向垂直振动的光则能透过，从而可获得线偏振光。 利用这类材料制成的偏振片可获得较大截面积的偏振光束， 但由于吸收不完全，所得的偏振光只能达到一定的偏振度。 (4)利用晶体的双折射起偏。
自然光通过各向异性的晶体时将发生双折射现象，双折 射产生的寻常光(o光)和非常光(e光)均为线偏振光。o
光光矢量的振动方向垂直于自己的主截面；已光光矢量的振 动方向在自己的主截面内。方解石是典型的天然双折射晶体， 常用它制成特殊的棱镜以产生线偏振光。利用方解石制成的 沃拉斯顿棱镜能产生振动面互相垂直的两束线偏振光；用方 解石胶合成的尼科耳棱镜能给出一个有固定振动面的线偏 振光。 3．偏振片、波片及其作用 (1)偏振片
偏振片是利用某些有机化合物晶体的二向色性。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，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。 按照马吕斯定律，强度为 I0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为：I=I0 cos2
式中 为入射偏振光的偏振方向与检偏器偏振轴之间的 夹角，显然当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强 度I将发生周期性变化。当=时，透射光强最大;当=90时， 透射光强为极小值(消光状态)，当 图4 光波的起偏核
检偏
根据透射光强度变化的情况，可以区别线偏振光、自然 光和部分偏振光。 (2)波片
波片是用单轴晶体切成的表面平行于光轴的薄片。
当线偏振光垂直射到厚度为L，表面平行于自身光轴的 单轴晶片时，会产生双折射现象，寻常光(O光)和非常光
（e光）沿同一方向前进，但传播的速度不同。这两种偏振光 通过晶片后，它们的相位差为：
其中，为入射偏振光在真空中的波长，no和ne分别为 晶片对o光和e光的折射率，匕为晶片的厚度。
我们知道，两个互相垂直的、频率相同且有固定相位差 的简谐振动，可用下列方程表示（如通过晶片后光和光的振 动）：
从两式中消去3经三角运算后得到合振动的方程式为 由此式可知，
1当 时， ，为线偏振光。
2当 时， ，为正椭圆偏振光。在 = 时，为圆偏振光。 3当 为其它值时，为椭圆偏振光。
在某一波长的线偏振光垂直入射到晶片的情况下，能使 o光和e光产生相位差（相当于光程差为的奇数倍）的晶 片，称为对应于该单色光的二分之一波片（1/2波片）或 波 片；与此相似，能使o光和e光产生相位差（相当于光程 差为 的奇数倍）的晶片，称为四分之一波片（1/4波片）或 波片。本实验中所用波片（ ）是对 （ 激光）而言的。 如 图5所示，当振幅为A的线偏振光垂直入射到1/4波片上， 振动方向与波片光轴成角时，由于o光和e光的振幅分别 为A和A，所以通过1/4波片合成的偏振状态也随角度 的 变化而不同。
图5
1当 = 时 ，获得振动方向平行于光轴的线偏振光(e光)。2当=/4 时，获得振动方向垂直于光轴的线偏振光(o光)。3当=/2 时，Ae=Ao获得圆偏振光。
4当 为其它值时，经过1/4波片后为椭圆偏振光。 所 以，可以用1/4波片获得椭圆偏振光和圆偏振光。
【实验内容与步骤】
1．起偏与检偏鉴别自然光与偏振光，验证马吕斯定律。
(1)在光源至光屏的光路上插入起偏器P1,旋转P1, 观察光屏上光斑强度的变化情况。(2)在起偏器P1后面再 插入检偏器P2。固定P1的方位，旋转P2，旋转3600，观察 光屏上光斑强度的变化情况。有几个消光方位？
(3)以硅光电池代替光屏接收P2出射的光束，旋转P2, 记录相应的光电流值，共转900，在坐标纸上作出I〜cos2 0 关系曲线。 2．观测布儒斯特及测定玻璃折射率 (1) 在起 偏器P1后，插入测布儒斯特角的装置，再在P1和装置之间 插入一个带小孔的光屏。调节玻璃平板，使反射的光束与入 射光束重合。记下初始角 。
(2) 一面转动玻璃平板，一面同时转动起偏器P1,使 其透过方向在入射面内。反复调节直到反射光消失为止，此 时记下玻璃平板的角度 ，重复测量三次，求平均值。算出
布儒斯特角 。 (3) 把玻璃平板固定在平儒斯特角的位置
上，去掉起偏器P1,在反射光束插入检偏器P2,转P2,观 察反射光的偏振状态。 3．观察椭圆偏振光和圆偏振光
(1)先使起偏器P1和检偏器P2的偏振轴垂直(即检 偏器P2后的光屏上处于消光状态)，在起偏器P1和检偏器 P2之间插入1/4波片，转动波片使P2后的光屏上仍处于消 光状态(此时 = )。
(2)从=的位置开始，使检偏器P2转动，这时可以 从屏上光强的变化看到经过1/4波片后
的光为线偏振光。
(3)取=900，使检偏器P2转动，这时也可以从屏上 光强的变化看到经过1/4波片后的光为线偏振光。其振动面 与 = 时的振动面垂直。
(4)取 为除00和900外的其他值，观察转动P2时屏 上光强的变化，其结果与椭圆偏振光对应。特别是当 =450 时，P2转动时屏上光强几乎不变，这便是圆偏振光对应的状 态。
【注意事项】
1、实验中各元件不能用手摸，实验完毕后按规定位置 放置好。 2、不要让激光束直接照射或反射到人眼内。
【数据记录及处理】
表1 马吕斯定律验证实验
表2 玻璃折射率的测定与计算
【思考题】
1． 偏振光的获得方法有哪几种？
2． 通过起偏和检偏的观测，你应当怎样判别自然光和 偏振光？ 3． 什么是马吕斯定律？本实验如何验证此定律？
4． 玻璃平板在布儒斯特角的位置上时，反射光束是什 么偏振光？它的振动是在平行于入射面内还是在垂直于入 射面内？
篇二：偏振光实验报告仿真
课 程：系 别：专业班级：
大学物理仿真实验 电信学院
实验报告
物理仿真实验
实验名称：偏振光实验
实验报告日期： XX 年 11 月 28 日学号：********
***********
姓 名： *******教师审批签字1.实验原理：
偏振光原理：
按电磁波理论,光是横波，它的振动方向和光的传播方 向垂直.实际中最常见的光的偏振态大体为五种，即自然光、 线偏振光、部分偏振光、圆偏娠光和椭圆偏振光．
1． 自然光是各方向的振幅相同的光。对自然光而言，
它的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内可取所有可 能的方向，没有一个方向占有优势.若把所有方向的光振动 都分解到相互垂直的两个方向上，则在这两个方向上的振动 能量和振幅都相等。
2． 线偏振光是在垂直于传播方向的平面内，光矢量只 沿一个方向振动。起偏器是将非偏振光变成线偏振光的器件； 检偏器是用于鉴别光的偏振光状态的器件。常见的起偏或检 偏的元件构成有两种：
偏振片：它是利用聚乙烯醇塑胶膜制成，它具有梳状长 链形结构分子，这些分子平行排列在同一方向上，此时胶膜 只允许垂直于排列方向的光振动通过，因而产生线偏振光.
光学棱镜：如尼科耳棱镜、格兰棱镜等，它是利用光学 双折射的原理制成的； 3． 部分偏振光：
除了自然光和线偏振光外，还有一种偏振状态介于两者 之间的光．如果用偏振片去检验这种光的时候，随着检偏器 透光方向的转动，透射光的强度既不象自然光那样不变，又 不象线偏振光那样每转90o。交替出现强度极大和消光.其 强度每转 90o 也交替出现极大和极小，但强度的极小不是 0（即不消光）。从内部结构看，这种光的振动虽然也是各方 向都有，但不同方向的振幅大小不同，具有这种特点的光， 叫做部分偏损光
我们假定波是沿z轴传播的，在图中它垂直纸面迎面
而系．这时若电矢量按逆时针方向旋转，我们称为左旋 圆偏振光。若顺时针旋转，称为右旋圆偏振光。
5． 椭圆偏振光
电矢量的端点在波面内描绘的轨迹为一椭圆的光，叫椭 圆偏振光。椭圆运动也可看成是两个相互垂直的线偏振光的 合成，只是它们的振幅不等，或位相差不等于土 n/2。
椭圆长、短轴的大小和取向，与振幅Ax, Ay和位相差都 有关系。可以看出线偏振光和圆偏振光都是椭圆偏振光的特 例，常用波晶片把椭圆偏振光转换为线偏振光。
椭圆偏振光退化为圆偏振光的条件是：Ax = Ay和 =±n /2。
椭圆偏振光退化为线偏振光的条件是：Ax = 0,或Ay =0,或 =0, 土n。椭圆偏振光也有左、右旋之分，其 定义与前面圆偏振光的定义相同。
波晶片：又称位相延迟片,是从单轴晶体中切割下来的 平行平面板，由于波晶片内的速度vo,ve不同，所以造成。 光和e光通过波晶片的光程也不同.当两光束通过波晶片后o 光的位相相对于e光多延迟了八二2五(门0-应评/入，若满足 (ne-no)d=土入/4,即A = ±n/2我们称之为入/4片，若满 足(ne-no)d=土入/2,即A =±n,我们称之为入/2片，若满 足(ne-no)d=土入，即A =2n我们称之为全波片。
布儒斯特定律：
自然光以任意入射角i入射于两种各向同性的透明介质 的分界面商。一般情况下，反射光和入射光分别是部分偏振 光，垂直于入射面振荡的电矢量在反射光中占主要地位。在 入射面上振荡的电矢量在折射光中占主要地位。有一特殊入 射角b,当i =b时，反射光线垂直于折射光线（i +b = n /2）, 反射光变成完全偏振光。该现象最早在1815年为布儒斯特 所发现，我们称之为布儒斯特定律，b叫做布儒斯特角，满 足下列方程： 其中nl, n2是相邻两种媒质的折射率。
改变射向晶体的入射光线的方向，可以找到一个确定 的方向，沿着这一方向，。光和e光传播速度相等，折射率 相同，不产生双折射现象，这个方向叫做光轴。只有一个光 轴的晶体叫做单轴晶体（如方解石、石英等），有两个光轴的 晶体称为双轴晶体（如云母、硫磺等）。
包含光轴和任一光线的平面，称做对应于该光线的主平 面。O光的电矢量的振动方向垂直于主平面。e光电矢量的 振动方向在它的主平面内。
本实验用来获得偏振光的仪器叫做格兰棱镜。格兰棱镜 是由两面三块方解石棱镜构成的，二棱镜间的空气隙，方解 石的光轴平行于棱镜的棱。自然光垂直于界面射入棱镜后分 为。光和e光，。光在空气隙上全反射，只有e光透过棱镜 射出
马吕斯定律：
马吕斯在1809年发现，完全线偏振光通过检偏器后的 光强可表示为I1 = I0 cos2 a,其中的a是检偏器的偏振方 向和入射线偏振光的光矢量振动方向的夹角：
2 .实验仪器：
半导体激光器，起偏器，检偏器，1/4波片，光电探测 器，光电探测器台，光电流放大器，光屏，光具座。
3 .实验内容：
根据马吕斯定律测定光电池的线性响应:
P1：起偏器，方位不变
P2：检偏器，改变其方位以得到不同强度的偏振光，用 来测定硅光电池的线性响应B：分束板，使激光器的光束 部分投射(I0),部分反射(I1)
D1：光源光强监视器，包括硅光电池及光电流检测装置， 用以I0的变化。
D2：当P2方位变化时，偏振光强I2依照马吕斯定律改 变，12的变化将由D2测定。测量数据：
力 0 I1 I2
I1 , I2 ： D1, D2的光电流读数，
为起偏器P1后平面偏振光方位与检偏器P2后平面偏振 光方位的夹角。：P2盘读数
根据测量结果，绘出与关系曲线，是否呈线性关系。 根 据布儒斯特定律测定介质的折射率:
利用布儒斯特定律时，只能在入射光为P分量（电矢量 平行入射面）时，才能得到反射率为零的布儒斯特角。故实 验分为两步进行：
A. 确定起偏器的方位，在此方位使入射到样品表面的 入射光（即起偏后的偏振光）的偏振方向恰好为P分量。实验 方法如下：
1 .P1在某一方位时，转动样品面使反射光的反射角在 50o〜60o之间，移动光屏使得反射光点落于其上，仔细观察 光屏上反射光的强弱变化。选定出射光点最暗的某一位置做 下一步调整。
2 .然后旋转P1的角度，观察光屏上反射光点的亮暗变 化。找到一个光点最暗的P1方位角。
3．再依次重复1，2的步骤，知道反射光强近于零。此 时P1的方位角恰好使出射平面偏振光与入射平面相重合， 即为P分量。
B. 根据布儒斯特定律确定介质材料的折射率。 篇三：偏振光实验报告
实 验 报 告
姓名：高阳 班级：F0703028学号：13同组姓名： 王雪峰
实验日期：XX-3-3
指导老师：助教10
实验成绩： 批阅日期：
偏振光学实验
【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）。
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。
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, A=A0cosa,强度 I=A , I=A0cosa= I
20
22
2
cosa=cosa式中I0为进入检偏器前（检偏器无吸收时） 线偏振光的强度。
22
这就是1 8 0 9年马吕斯在实验中发现的，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，则极小值部位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
当平面偏振光同过1/2波片后，产生的仍是平面偏振光， 但它与原入射光的
夹角为2a（。为入射光振动面与波片光轴的夹角，下同）；
当平面偏振光同过1/4波片后，产生偏振光的性质与a 相关：
a= 0时：出射光为振动方向平行1/4波片光轴的平面偏 振光。a= 21/4波片光轴的平面偏振光。a= 4 a为其他 值时，出射光为椭圆偏振光。
nn
我们使平面偏振光通过1/2波片，1/4波片，产生各种 性质的偏振光，来研
究它们的性质以及它们之间的关系。
原始数据记录表 1验证马吕斯定律
偏振片初始角度为218度
从表中可知,当偏振片角度余弦的平方值相同时,光电 流值也基本保持相同,这就说明光电流值与偏振片角度余弦
的平方值相关。下面我们取表格中的前一半数据（即一组不 同的角度和其对应得光电流值作图），来观察其关系
从图中可见，光电流强度与角度余弦值的平方成线形关 系，这也就验证了马吕斯定律。
2.线偏振光通过1/2波片时的现象和1/2波片的作用
由此可见,为达到消光,检偏器转过角度与1/2波片转过 角度保持一致。 而若检偏器固定,将1/2波片转过360度, 会观察到两次消光；同样地,若1/2波片固定,将检偏器转过 360度,同样会观察到两次消光。由此可见,线偏振光通过1/2 波片后,它仍是线偏振光,只是发生了角度的改变而已。
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