课题偏振光现象的研究
1．观察光的偏振现象，掌握产生与检验偏振光的条件和方法；教学目的 2．测量布儒斯特角；
3．验证马吕斯定律。
重难点 1．激光器与光具组的共轴调节；
2．布儒斯特角的测定。
教学方法讲授、讨论、实验演示相结合。
学时 3个学时
一、前言
光的偏振是指光的振动方向与光的传播方向的不对称性.偏振现象是证明光为横波的最有力的证据，在科学上具有极其重要的意义。它不但丰富了光的波动说的内容，而且具有重要的应用价值。
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.线偏振光是在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿一个固定方向振动.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状态的器件。
二、实验仪器
He-Ne激光器，光具座，光靶，光学测角台，偏振片，黑玻璃镜，1/2波片，1/4波片，白屏，光功率计等
三、实验原理
1.光的偏振性
光波是波长较短的电磁波，电磁波是横波，光波中的电矢量与波的传播方向垂直。光的偏振观象清楚地显示了光的横波性。光大体上有五种偏振态，即线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、自然光和部分偏振光。而线偏振光和圆偏振光又可看作椭圆偏振光的特例。
（1）自然光
光是由光源中大量原子或分子发出的。普通光源中各个原子发出的光的波列不仅初相彼此不相关，而且光振动方向也是彼此不相关的，呈随机分布。在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向振动的光矢量都有。平均说来，光矢量具有轴对称而且均匀的分布，各方向光振动的振幅相同，各个振动之间没有固定的相联系，这种光称为自然光或非偏振光（见下图）。
我们设想把每个波列的光矢量都沿任意取定的x轴和y轴分解，由于各波列的光矢量的相和振动方向都是无规则分布的，将所有波列光矢量的x分量和y分量分别
叠加起来，得到的总光矢量的分量E
x 和E
y
之间没有固定的相关系，因而它们之间是不
相干的。同时E
x 和E
y
的振幅是相等的，即A
x
=A
y
。这样，我们可以把自然光分解为两
束等幅的、振动方向互相垂直的、不相干的线偏振光。这就是自然光的线偏振表示，
如下图（a）所示。分解的两束线偏振光具有相等的强度I
x =I
y
，又因自然光强度
I=I
x +I
y
所以每束线偏振光的强度是自然光强度的1/2，即
通常用图（b）的图示法表示自然光。图中用短线和点分别表示在纸面内和垂直于纸面的光振动，点和短线交替均匀画出，表示光矢量对称而均匀的分布。
（2）线偏振光
光矢量只沿一个固定的方向振动时，这种光称为线偏振光，又称为平面偏振光。光矢量的方向和光的传播方向所构成的平面称为振动面，如图（a）所示。线偏振光的振动面是固定不动的，图（b）所示是线偏振光的表示方法，图中短竖线表示光振动在纸面内，点表示光振动垂直于纸面。
（3）部分偏振光
这是介于线偏振光与自然光之间的一种偏振光，在垂直于这种光的传播方向的平面内，各方向的光振动都有，但它们的振幅不相等，如图（a）所示。这种部分偏振光用数目不等的点和短线表示。在图（b）中，上图表示在纸面内的光振动较强，下图表示垂直纸面的光振动较强。要注意，这种偏振光各方向的光矢量之间也没有固定的相的关系。
（4）圆偏振光和椭圆偏振光
这两种光的特点是在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量按一定频率旋转（左旋或右旋）。如果光矢量端点轨迹是一个圆，这种光叫圆偏振光（见图（a））。如果光矢量端点轨迹是一个椭圆，这种光叫椭圆偏振光（见图（b））。
2. 布儒斯特角
当光从折射率为n 1的介质（例如空气）入射到折射率为n 2的介质（例如玻璃）交
界面，而入射角又满足
1
2
B arctan
n n =θ 时，反射光即成完全偏振光，其振动面垂直于入射面。i B 称布儒斯特角，上式即布儒斯特定律。显然，θB 角的大小因相关物质折射率大小而异。若n 1表示的是空气折射率，（数值近似等于1）上式可写成
2B arctan n =θ
反射光
入射光
图 3-1
3.马吕斯定律
如果光源中的任一波列（用振动平面E 表示）投射在起偏器P 上（如下图），只有
相当于它的成份之一的E y （平行于光轴方向的矢量）能够通过，另一成份E x （=E cos θ）则被吸收。与此类似，若投射在检偏器A 上的线偏振光的振幅为E 0，则透过A 的振幅为
E 0 cos θ（这里θ是P 与A 偏振化方向之间的夹角）。由于光强与振幅的平方成正比，可知透射光强I 随θ而变化的关系为
θ20cos I I =
E y
这就是马吕斯定律。
4.波片
若使线偏振光垂直入射一透光面平行于光轴，厚度为d 的晶片，此光因晶片的各
向异性而分裂成遵从折射定律的寻常光（o 光）和不遵从折射定律的非常光（e 光）。因o 光和e 光
在晶体中这两个相互垂直的振动方向有不同的光速，分别称做快轴和慢轴。设入射光振幅为A ，振动方向与光轴夹角为θ，入射晶面后o 光和e 光振幅分别为A sin θ和
A cos θ,出射后相位差
d n n
e o )(20
-=
λπ
?
式中λ0是光在真空中的波长，n o 和n e 分别是o 光和e 光的折射率。 这种能使相互垂直振动的平面偏振光产生一定相位差的晶片就叫做波片。
如果以平行于波片光轴方向为x 坐标，，垂直于光轴方向为y 坐标出射的o 光和e
光可用两个简谐振动方程式表示：
t A x e ωsin = )sin(?ω+=t A y o
该两式的合振动方程式可写成
??2
2
222sin cos 2=-+o
e o e A A xy A y A x 一般说来，这是一个椭圆方程，代表椭圆偏振光。但是当
π?k 2= （k ＝1、2、3…）或 π?)12(+=k
（k ＝0、1、2…）
时，合振动变成振动方向不同的线偏振光。后一种情况，晶片厚度
2
)12(λ
e o n n k d -+=
可使o 光和e 光产生（2k +1）λ/2的光程差，这样的晶片称做半波片,而当
2
)
12(π
?+=k （k ＝1、2、3…）
时，合振动方程化为正椭圆方程
122
22=+o
e A y A x 这时晶片厚度4
)12(λ
e o n n k d -+=
，称做1/4波片。它能使线偏振光改变偏振态，变成椭圆
偏振光。但是当入射光振动面与波片光轴夹角θ＝45°时，A e ＝A o ，合振动方程可写
成 222A y x =+ 即获得圆偏振光。 四、实验内容与步骤 1.布儒斯特角的测定
在光具座上，由氦氖激光器发出的光束擦盘直接入射到立在光学测角台直径上的
黑玻璃镜面，先转动测角台，使反射光束原路返回，由此定出入射光束的零度方位，利用滑动座的升降微调装置适当降低角度盘，然后再从入射角为10°~85°范围内寻找反射光束通过检偏器后，光强变到最小（甚至为零）时的角度（器件布置示如下图，也可直接用白屏观察）。这里的检偏器是一个能在支架上转动的偏振片，支架锁紧在测角台的转臂上。用检偏器检查任一反射光束，都是偏振光，在改变入射角的过程中，检偏器透振轴指向水平方向（为什么？）。为了更准确的测量，可以选取48°~64°角的入射角范围，根据消光位置找出布儒斯特角。测量5次，取平均值，将数据填入表（一）。
2.马吕斯定律的验证
如果光源中的任一波列（用振动平面E 表示）投射在起偏器P 上，只有相当于它
的成分之一的y E （平行于光轴方向的矢量）能够通过，另一成分)cos E (E θ=x 则被吸收。若投射在检偏器A 上的线偏振光的振幅为E 0，则透过A 的振幅为θcos E 0（这里θ
是P 与A 偏振方向之间的夹角）。由于光强与振幅的平方成正比，所以透射光强I 随θ而变化的关系为
θ20cos I I =
这就是马吕斯定律。
实验内容：让激光束垂直通过起偏器成为偏振光，用检偏器检查时，使两个偏振器的透振方向的夹角θ在从0°转动一周的过程中，用连接光电流放大器的光电探头测量透射光强的相对值I ，每10°读取一次数据。将数据填入表（二），然后画出I -θ关系曲线，或将实验数据输入计算机打印出θ-I 关系曲线。
90
180
270
360
角度
偏振光相对光强
3.分析半波片的作用（选做）
在由布儒斯特窗和偏振棱镜联合组成的起偏器D和检偏器A之间加入半波片H，并使其绕水平轴转动360°，观察屏幕上发生消光现象的次数；然后使起偏器的偏振面与检偏器的光轴正交，加入半波片后，将它转到消光位置，再分别转动15°，30°，45°，60°，75°和90°，相应记录每次将A逐次转到消光位置所需转动的角度，根据实验数据分析半波片的作用。将数据填入表（三）中，并作解释。
H
A C
4.分析1/4波片的作用（选做）
先使线偏振光的偏振面P与检偏器A的光轴正交（这时通过A的光强显示最小），然后在两个偏振棱镜之间加入1/4波片Q，并转动Q，直到通过A的光强恢复到最小。从此位置每当Q转动15°，30°，45°，60°，75°和90°时，都将A转动360°，将数据填入表（四）中，并作解释。
五、数据表格及数据处理
的测定
1. θ
B
表（一）
θB平均值=57.0°
不确定度的计算：?
±=∴?=+=?
=?=?
=?++++=
=)4.00.57(4.017.03
5.03.04
55.07.00.09.05.02
2
2
2222B B A B
A U U U U S U θθ
2. 马吕斯定律的验证
表 （二）
画出I -θ关系曲线
3. 分析半波片的作用
表（三）
4.分析1/4波片的作用
表（四）
六、注意事项
1、保护光学元件的光学表面，不得触摸光学元件的光学表面。
2、激光管两端的高压引线头是裸露的，且激光电源空载输出电压高达数千伏，要警惕误触。
3、激光束光强极高，切勿用眼睛对视，防止视网膜遭永久性损伤。
七、思考题
1、有四束光,它们的偏振态分别是:线偏振光,圆偏振光,椭圆偏振光和自然光,怎样鉴别它们？
答:用一块检偏振器分别对四束光迎光旋转检验,当检偏振器旋转一周,发现出射光强两个方位最大,两个方位为零时,该光就是线偏振光;出射光强两个方位最大,两个方位变小时,该光即是椭圆偏振光;当出射光强不变时为圆偏振光和自然光.然后再区别圆偏振光和自然光.将这两束光分别通过l/4波片.通过l/4波片后,自然光还是自然光,用旋转的检偏振器检验,仍然光强不变;而圆偏振光通过l/4波片后变为线偏振光,用检偏振器检验,出现两次最大,两次零光强.
2. 三块外形相同的偏振片、1/2波片、1/4波片被弄混了，能否把它们区分开来？需要借助什么工具？
答:用实验室中的光滑桌面(或玻璃板面)反射钠光,透过三块未知的偏振器件观看反射的钠光,在
此过程中,一边旋转偏振器件,一边改变反射光方向，三块偏振器件中必有一块出现"两明两零"的现象,它就是偏振片.此时,钠光的入射角就是布儒斯特角,反射光是振动面垂直于入射面的线偏振光.另两块是波片,无论怎样旋转它,无论怎样改变反射光线的方向,光强都不发生变化.
现在有了一块偏振片,还有已知振动方向的线偏振光.将两块波片分别迎着线偏振光旋转,用偏振片检验出射光强的变化.如果不管在什么方位,总是出现"两明两零"的现象,这块波片一定是l/2波片,因为线偏振光经过l/2波片后仍然是线偏振光.而线偏振光通过l/4波片,仅在线偏振光的振动方向平行(或垂直)l/4波片晶轴的情况下,才会出射线偏振光.在线偏振光振动方向与晶轴成450角时,出射圆偏振光,一般情况下出射椭圆偏振光.
3、用怎样的措施获得圆偏振光？
答：让自然光通过起偏镜,得到振动方向平行于起偏镜透振方向的线偏振光.再让线偏振光通过一块1 /4波片,波片晶轴z与线偏振光振动方向成45度角,自l/4波片出射的就是圆偏振光.选取l/4波片使分解的o光和e光有±π/2的相位差,光轴z与入射线偏振光振动方向45度的夹角,可使分解的o 光和e光有相等振幅.
八、教学后记
一定要对学生强调激光器切不可用眼睛直视，以免出现人生伤害事故；本实验要测量的数据较多，实验的实际操作比较繁琐，因而学生感到完成实验有一定难度，因此在授课中强调学生一定要耐心；实验中要让学生在出现故障时，学会排除故障，并且能够自己动手解决问题，培养学生的动手能力。
执笔人：陈晨
【实验题目】 偏振光的产生和检验 【实验记录与数据处理】 1．线偏振光的获得与检验 1）器件光路示意图(2分)： 2）测量记录(1分) 光电流强度 光电流强度夹角光电流强度 3）贴图(3分)： ~I 曲线（直角坐标）
2．椭圆偏振光的获得与检验 1）器件光路示意图(2分)： ? ? ? ? ? ? 3）贴图(5分)：15°和45°的θ~I 曲线图（极坐标） 光强与检偏器角度的关系（Φ=15?）
光强与检偏器角度的关系（Φ=45?） 3. 1/2波片的研究 1）器件光路示意图(2分)： 3）结论(2分)：θ??Φ~关系； 根据数据可得，在误差允许的范围内，△θ=2△Φ。
【结论与讨论】 实验结论： 1.在实验一中，由θ~I 曲线可得，在振动方向与透视轴夹角从0°至90°过程中，透视光强度逐渐由零增至最大值，在90°至180°逐渐减小至最小值；经过两个周期，图像大致与马吕斯定律I=I o cos θ相符合。 2.在实验二中，当入射光与玻片夹角β= 0°，透过检偏器的光强最小，可知透过1/4玻片得到的是沿玻片慢轴的线偏振光；当β=15°，旋转检偏器一周后，得到的光强呈周期性变化，且最小值与最大值差值较大，光强最大值小于实验一中线偏振光的光强，再根据θ~I 曲线图即可知透过1/4玻片得到的是椭圆偏振光；当β=45°，旋转检偏器一周后，发现得到的光强变化不大，且光强大小界于β=15°时椭圆偏振光的光强最大值和最小值之间，再根据θ~I 曲线图即可知透过1/4玻片得到的是圆偏振光。 3.在实验三中，可以得出△θ随着ΔΦ的变化呈线性关系，满足△θ=2△Φ。 实验讨论： 【课后问题】（5分） 讨论：如何利用波片与偏振光片判别圆偏振光与自然光？ 答：1.已知圆偏振光经过1/4玻片后形成线偏振光，而自然光经过1/4玻片后仍为自然光，故可以用1/4玻片进行区分。 2.让光束透过1/4玻片+偏振片，旋转偏振片，透射光发生变化的为圆偏振光，透射光不发生变化的为自然光。故可用玻片+偏振片进行区分。 报告成绩（满分30分）：??????????? 指导教师签名：???????????????? 日期：?????????????????
偏振光的观测与研究 光的干涉与衍射实验证明了光的波动性质。本实验将进一步说明光就是横波而不就是纵波,即其E与H的振动方向就是垂直于光的传播方向的。光的偏振性证明了光就是横波,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与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.了解偏振光的产生与检验方法。 3.观测布儒斯特角及测定玻璃折射率。 4.观测椭圆偏振光与圆偏振光。 【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,光波就就是电磁波,它的电矢量E与磁矢量H相互垂直。两者均垂直于光的传播方向。从视觉与感光材料的特性上瞧,引起视觉与化学反应的就是光的电矢量,通常用电矢量E代表光的振动方向,并将电矢量E与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)。光源发射的光就是由大量原子或分子辐射构成的。由于热运动与辐射的随机性,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就是相同的。一般说,在10－6s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她方向,即在较长时间内电矢量在某一方向较强,这就就是如图2(c)所示的所谓部分偏振光。还有一些光,其振动面的取向与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与折射时,反射光与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。
预习（15）实验操作（45）实验报告（40）总分（100） 14393588 实验报告 学生姓名:曾哲学生学号:PB07203201 实验时间:2008-9-26 (说明:预习报告及原始数据已和其他同学的手写版实验报告一起上交) 实验题目: 偏振光的研究 实验步骤: 1.调节仪器至待测状态。 打开光电探测器。调节分光计，使分光计的平行光管光轴和望远镜光轴重合，使激光通过平行光管和望远镜中央。 2.验证马吕斯定律 1)将起偏器和检偏器安装于分光计。 2)调节起偏器使其示数为0°，调节检偏器使其示数为90°。调节检偏器，使其完全消光，此时光 电探测器示数为0，起偏器与检偏器透光方向垂直，θ=90°。 3)调节检偏器，使θ=80°、70°、60°、……、-90°，记录各情况下光电探测器示数I。 cos 关系曲线 4)作I～θ及I～2 3.根据布儒斯特定律测定介质的折射率 1)将待测玻璃放于载物台，调节载物台使待测玻璃反射激光使其沿原方向返回，记录此时分光计示 数。 2)调节载物台使其激光的入射角为57°左右，调节起偏器使其反射的激光最暗，再调节载物台使 其反射的激光最暗，如此反复调节，直至反射激光消失。记录此时分光计示数。如此重复测量3 次。 3)通过布儒斯特定律计算待测玻璃的折射率。 4.设计性实验---在光路中插入λ/4波片做产生和检验圆偏振光和椭圆偏振光的实验（选做） 1)固定起偏器不变调节检偏器至完全消光，此时光电探测器示数为0，起偏器与检偏器透光方向垂 直，θ=90°。 2)在检偏器上安装λ/4波片，调节λ/4波片方向，使其再次完全消光，此时λ/4波片方向和起偏 器透光方向垂直或平行。 3)调节起偏器，使其旋转45°，此时λ/4波片方向与起偏器透光方向夹角为45°。 4)调节检偏器方向，使其透光方向分别与λ/4波片方向夹角为θ=0°、10°、20°、……、180°， 记录各情况下光电探测器示数I。 5)作I～θ关系曲线 实验报告成绩：＋34′＋1′（补充实验加分）＝＋35′ 数据处理: 1.验证马吕斯定律
图2 二向色性起偏 图1 平面偏振光、自然光和部分偏振光 实验名称 光的偏振现象的研究 姓 名 学 号 班 级 桌 号 教 室 基础教学楼1406 实验日期 20 年 月 日 时段 指导教师 一. 实验目的 1. 观察光的偏振现象，加深对光偏振基本规律的认识。 2. 了解产生和检验偏振光的基本方法。 3. 验证马吕斯定律。 4．1/4波片，1/2波片的研究； 5.利用旋光现象测定蔗糖溶液浓度 二. 实验仪器 导轨和机座, 氦氖激光器（功率约5mW ）, 激光器架, 偏振片波片架, 滑动座(5个)， 光传感器(光电探头)，光功率测试仪，偏振片（两个），1/4波片（波长632.8nm ），1/2波片（波长632.8nm ），透明蔗糖溶液，螺丝刀 三. 实验原理（请携带并参阅大学物理课本） 1. 偏振光的基本概念 光波是一种电磁波，它的电矢量 和磁矢量 相互垂直，并垂直于光的传播方向C 。通常人们用电矢量 代表光的振动方向，并将电矢量和光的传播方向C 所构成的平面称为光的振动面。在传播过程中，电矢量的振动方向始终在某一确定方向的光称为平面偏振光或线偏振光，如图1(a)所示。振动面的取向和光波电矢 量的大小随时间作有规律的变化，光波电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆时，称为椭圆偏振光或圆偏振光，人眼逆光来看，若电矢量末端按照顺时针方向旋转，则称 评 分 教师签字
图3 双折射起偏原理图 为右旋椭圆或右旋圆偏振光，反之为左旋。通常光源发出的光波有与光波传播方向相垂直的一切可能的振动方向，没有一个方向的振动比其它方向更占优势。这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光，如图1(b)所示；如果光波电矢量的振动在传播过程中只是在某一确定方向上占优势，则此偏振光称为部分偏振光，如图1(c)所示。将自然光变成偏振光的器件称为起偏器，用来检验偏振光的器件称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是互为通用的。下面介绍几种常用的起偏和检偏方法。 ２. 二向色性起偏、马呂斯定律、双折射起偏及波片 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。当自然光射到偏振片上时，振动方向与透振方向垂直的光被吸收，振动方向与透振方向平行的光透过偏振片，从而获得偏振光。自然光透过偏振片后，只剩下沿透光方向的光振动，透射光成为平面偏振光（见图2所示）。 若在偏振片P 1后面再放一偏振片P 2，P 2就可以用作检验经P 1后的光是否为偏振光，即P 2 起了检偏器的作用。当起偏器P 1和检偏器P 2的偏振化方向间有一夹角，则通过检偏器P 2的偏振光强度满足马呂斯定律： （1） 当θ= 时，I=I 0， 光强最大；当θ= 时，I =0，出现消光现象；当θ为其它值时，透射光强介于0～I 0之间。 （1）双折射起偏 某些单轴晶体（如方解石和石英等）具有双折射现象。当一束自然光射到这些晶体上时，在界面射入晶体内部的折射光常为传播方向不同的两束折射光线，这两束折射光是光矢量振动方向不同的线偏振光。其中一束折射光 ，称为寻常光（或O 光）；另一束折射光 ，其振动在 内，称为非常光（或e 光），如图3所示。 研究发现，这类晶体存在这样一个方向，沿该方向传播的光 ，该方向称为光轴。 主平面： 主截面： （2）反射和折射时光的偏振 自然光在两种透明媒质的界面上反射和折射时，反射光和折射光就能成为部分偏振光或平面偏振光，而且反射光中垂直入射面的振动较强，折射光中平行入射面的振动较强。实验发现，当改变入射角i 时，反射光的偏振程度也随之改变，当i 等于特定角0i 时，反射光只有垂直于入
实验7 光的偏振特性研究 光的干涉衍射现象揭示了光的波动性，但是还不能说明光波是纵波还是横波。而光的偏振现象清楚地显示其振动方向与传播方向垂直，说明光是横波。1808年法国物理学家马吕斯（Malus,1775—1812）研究双折射时发现折射的两束光在两个互相垂直的平面上偏振。此后又有布儒斯特（Brewster,1781—1868）定律和色偏振等一些新发现。 光的偏振有别于光的其它性质，人的感觉器官不能感觉偏振的存在。光的偏振使人们对光的传播规律(反射、折射、吸收和散射)有了新的认识。本实验通过对偏振光的观察、分析和测量，加深对光的偏振基本规律的认识和理解。 偏振光的应用很广泛，从立体电影、晶体性质研究到光学计量、光弹、薄膜、光通信、实验应力分析等技术领域都有巧妙的应用。 一、实验目的 1. 观察光的偏振现象，了解偏振光的产生方法和检验方法。 2. 了解波片的作用和用1/4波片产生椭圆和圆偏振光及其检验方法。 3. 通过布儒斯特角的测定，测得玻璃的折射率。 4. 验证马吕斯定律。 二、实验原理 1. 自然光和偏振光 光是一种电磁波，电磁波中的电矢量E就是光波的振动矢量，称作光矢量。通常，光源发出的光波，其电矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则的取向。在与传播方向垂直的平面内，光矢量可能有各种各样的振动状态，被称为光的偏振态。光的振动方向和传播方向所组成的平面称为振动面。按照光矢量振动的不同状态，通常把光波分为自然光、部分偏振光、线偏振光（平面偏振光）、圆偏振光和椭圆偏振光五种形式。 如果光矢量的方向是任意的，且在各方向上光矢量大小的时间平均值是相等的，这种光称为自然光。自然光通过介质的反射、折射、吸收和散射后，光波的电矢量的振动在某个方向具有相对优势，而使其分布对传播方向不再对称。具有这种取向特征的光，统称为偏振光。 偏振光可分为部分偏振光、线偏振光（平面偏振光）、圆偏振光和椭圆偏振光。如果光矢量可以采取任何方向，但不同方向的振幅不同，某一方向振动的振幅最强，而与该方向垂直的方向振动最弱，这种光为部分偏振光。如果光矢量的振动限于某一固定方向，则这种光称为线偏振光或平面偏振光。如果光矢量的大小和方向随时间作有规律的变化，且光矢量的末端在垂直于传播方向的平面内的轨迹是椭圆，则称为椭圆偏振光；如果是圆则称为圆偏振光。 将自然光变成偏振光的过程称为起偏，用于起偏的装置称为起偏器；鉴别光的偏振状态的过程称为检偏，它所使用的装置称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是可以通用的。本实验所用的起偏器和检偏器均为分子型薄膜偏振片。
北京师范大学物理实验教学中心基础物理实验预习思考题 【实验题目】偏振光的产生与检测 1.光的偏振现象揭示了光波的什么性质？列举几个偏振光的应用？ 答：光的偏振揭示了光的波动性。 应用：1. 在摄影镜头前加上偏振镜消除反光。在拍摄表面光滑的物体，在拍摄时加用偏振镜，借以消除或减弱这些光滑物体表面的反光或亮斑。2. 使用偏振镜看立体电影。3. 汽车使用偏振片防止夜晚对面车灯晃眼。4、生物的生理机能与偏振光。沙漠中有一种蚂蚁，它能利用天空中的紫外偏光导航，因而不会迷路。： 2.光有几种宏观偏振态？自然界中的光都是“自然光”吗？ 答:光的宏观偏振态主要有五种，线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、自然光和部分偏振光，而线偏振光和圆偏振光又可认为是椭圆偏振光的特例。自然界中的光不都是“自然光”。在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。自然光源一般情况下认为是非偏振光，自然光源一般情况下认为是非偏振光，但是经过水面反射和折射过后没，就能产生偏振光。 3.列举几种由自然光产生线偏振光的方法。 1、在透明媒质界面上的折射和反射。让自然光以偏化角入射在二种不同透明媒质的界 面时，可得完全偏振的反射光与部分偏振的透射光。 2、通过双折射晶体，如尼科耳棱镜 3、通过双色性（又名二向色性）晶体，如偏振片。 4.写出偏振光马吕斯定律的光强公式。 答：强度为Io的线偏振光，透过检偏片后，透射光的强度(不考虑吸收)为I=Io(cosa)^2 式中α是线偏振光的光振动方向与检偏器透振方向间的夹角。 5.如何由实验判断两偏振片达到正交？ 用光垂直照射一个偏振片并固定，把另一个放在后面，转动后一个偏振片观察没有光透过时两偏振片就正交了。此时看到的透射光最暗，再继续旋转检偏振片，则逐渐变亮，说明该方向达到正交。 成绩（满分20 分）：
实验报告 PB09214023葛志浩 PB09214047卢焘 2011-11-22 得分： 实验题目：偏振光的观察与研究 实验目的:1．观察光的偏振现象，加深偏振的基本概念。 2．了解偏振光的分类以及产生和检验方法，掌握马吕斯定律。 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：激光器，起偏器，检偏器，硅光电池，1/4波片，光电流放大器，分束板。 实验原理： 一，偏振光的基本概念和分类 光的偏振是指光的振动方向不变，或光矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆的现象。光有五种偏振态：自然光（非偏振光），线偏振光，部分偏振光，圆偏振光，椭圆偏振光 二，产生偏振光的方法： 1，利用光在界面反射和透射时光的偏振现象。 反射光中的垂直于入射面的光振动（称s 分量）多于平行于入射面的光振动（称p 分量）；而透射光则正好相反。在改变入射角的时候，出现了一个特殊的现象，即入射角为一特定值（称为布雷斯特角）时，反射光成为完全线偏振光（s 分量）。折射光为部分偏振光，而且此时的反射光线和折射光线垂直，这种现象称之为布儒斯特定律。该方法是可以获得线偏振光的方法之一。通过测量介质的布雷斯特角可以得到介质的折射率。 1 2 n n tg = α ）1（ 2，利用光学棱镜，如尼科尔棱镜，格兰棱镜等。 3，利用偏振片。 三，改变光的偏振态的元件——波晶片。
平面偏振光垂直入射晶片，如果光轴平行于晶片表面，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，因而从晶片出射时会产生相位差。 线偏振光垂直入射1/4波片，其振动方向与波片光轴成角θ，则出射光的偏振态与θ的关系如下： 1，2 0π θ或=时，出射光为线偏振光； 2，4 π θ= 时，出射光为圆偏振光； 3，θ为其它值时，出射光为椭圆偏振光。 利用偏振片可以由自然光得到线偏振光，利用1/4波片可以由线偏振光得到圆偏振光和椭圆偏振光。 四，马吕斯定律：θ20cos I I = （2） 实验内容及步骤： 一，调节仪器和观察消光现象。 如图（一）所示放置好实验仪器，旋转P2，观察出射光强的变化。 二，验证马吕斯定律。 如图（二）所示放置好实验仪器，将P1度盘读数调为0，旋转P2，记录P2度盘读数θ和D1，D2光电流读数21I I ，。
实验3.8 偏振光的观测与研究 偏振光的理论意义和价值是，证明了光是横波。同时，偏振光在很多技术领域得到了广泛的应用。如偏振现象应用在摄影技术中可大大减小反射光的影响，利用电光效应制作电光开关等。 【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．观测圆偏振光和椭圆偏振光。 【实验仪器】 光具座、激光器、光点检流计、起偏器、检偏器、1/4波片、1/2波片、光电转换装置、观测布儒斯特角装置、带小孔光屏、钠光灯。 【实验原理】 按照光的电磁理论，光波就是电磁波，电磁波是横波，所以光波也是横波。在大多数情况下，电磁辐射同物质相互作用时，起主要作用的是电场，因此常以电矢量作为光波的振动矢量。其振动方向相对于传播方向的一种空间取向称为偏振，光的这种偏
振现象是横波的特征。 根据偏振的概念，如果电矢量的振动只限于某 一确定方向的光，称为平面偏振光，亦称线偏振光； 如果电矢量随时间作有规律的变化，其末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆（或圆），这样的光称为椭圆偏 振光（或圆偏振光）；若电矢量的取向与大小都随时间作无规则变 化，各方向的取向率相同，称为自然光，如图3-26所示；若电矢 量在某一确定的方向上最强，且各向的电振动无固定相位关系， 则称为偏振光。 1．获得偏振光的方法 （1）非金属镜面的反射，当自然光从空气照射在折射率为n 的非金属镜面（如玻璃、水等）上，反射光与折射光都将成为部 分偏振光。当入射角增大到某一特定值φ0时，镜面反射光成为完 全偏振光，其振动面垂直于射面，这时入射角φ称为布儒斯特角， 也称起偏振角，由布儒斯特定律得： 0tan n φ= （3-51） 其中，n 为折射率。 （2）多层玻璃片的折射，当自然光以布儒斯特角入射到叠在 一起的多层平行玻璃片上时，经过多次反射后透过的光就近似于 线偏振光，其振动在入射面。 图3-26 自然光
【实验题目】偏振光的产生和检验【实验记录与数据处理】 1．线偏振光的获得与检验 1）器件光路示意图(2分)： 3）贴图(3分)：曲线（直角坐标）
2．椭圆偏振光的获得与检验 1）器件光路示意图(2分)： 3）贴图(5分)：15°和45°的曲线图（极坐标） 光强与检偏器角度的关系（Φ=15?）
光强与检偏器角度的关系（Φ=45?）3. 1/2波片的研究 1）器件光路示意图(2分)： 3）结论(2分)：关系： 根据数据可得，在误差允许的范围内，△θ=2△Φ。 4．玻璃起偏与Brewster角的测定 1）器件光路示意图(2分)：
2）Brewster 角p i 的测量记录(1分) 3）玻璃的折射率(3分)。 ==p i n n tan 0 1.000277*?8.51tan 玻璃折射率为=n 1.271125 【结论与讨论】 1.由实验一可得，在振动方向与透视轴夹角从90°减少至0°过程中，透视光强度逐渐由零增至最大值，与马吕斯定律I=I o cos θ相符合。 2.由实验二可得，当入射光与玻片夹角β= 0°，透过检偏器的光强最小，可知透过1/4玻片得到的是沿玻片慢轴的线偏振光；当β=15°，旋转检偏器一周后，得到的光强呈周期性变化，且最小值与最大值差值较大，光强最大值小于实验一中线偏振光的光强，再根据θ~I 曲线图即可知透过1/4玻片得到的是椭圆偏振光；当β=45°，旋转检偏器一周后，发现得到的光强变化不大，且光强大小界于β=15°时椭圆偏振光的光强最大值和最小值之间，再根据θ~I 曲线图即可知透过1/4玻片得到的是圆偏振光。 3.由实验三可得，线偏振光经过1/2玻片后仍为线偏振光，振动方向旋转了2θ（θ为入射光的偏振方向与玻片慢轴方向的夹角）。 4.实验四产生较大误差，误差原因为由于光线变化较小，且很难做到消光。故人为判断的影响较大。 前三个实验误差产生的原因主要来源于调节玻片和检偏器时对旋转角度的读数不能十分精准。 【课后问题】（5分） 讨论：如何利用波片与偏振光片判别圆偏振光与自然光？ 答：1.已知圆偏振光经过1/4玻片后形成线偏振光，而自然光经过1/4玻片后仍为自然光，故可以用1/4玻片进行区分。 2.让光束透过1/4玻片+偏振片，旋转偏振片，透射光发生变化的为圆偏振光，透射光不发生变化的为自然光。故可用玻片+偏振片进行区分。 报告成绩（满分30分）：??????????? 指导教师签名：???????????????? 日期：?????????????????
课题偏振光现象的研究 1．观察光的偏振现象，掌握产生与检验偏振光的条件和方法；教学目的 2．测量布儒斯特角； 3．验证马吕斯定律。 重难点 1．激光器与光具组的共轴调节； 2．布儒斯特角的测定。 教学方法讲授、讨论、实验演示相结合。 学时 3个学时 一、前言 光的偏振是指光的振动方向与光的传播方向的不对称性.偏振现象是证明光为横波的最有力的证据，在科学上具有极其重要的意义。它不但丰富了光的波动说的内容，而且具有重要的应用价值。 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.线偏振光是在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿一个固定方向振动.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状态的器件。 二、实验仪器 He-Ne激光器，光具座，光靶，光学测角台，偏振片，黑玻璃镜，1/2波片，1/4波片，白屏，光功率计等 三、实验原理 1.光的偏振性 光波是波长较短的电磁波，电磁波是横波，光波中的电矢量与波的传播方向垂直。光的偏振观象清楚地显示了光的横波性。光大体上有五种偏振态，即线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、自然光和部分偏振光。而线偏振光和圆偏振光又可看作椭圆偏振光的特例。
（1）自然光 光是由光源中大量原子或分子发出的。普通光源中各个原子发出的光的波列不仅初相彼此不相关，而且光振动方向也是彼此不相关的，呈随机分布。在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向振动的光矢量都有。平均说来，光矢量具有轴对称而且均匀的分布，各方向光振动的振幅相同，各个振动之间没有固定的相联系，这种光称为自然光或非偏振光（见下图）。 我们设想把每个波列的光矢量都沿任意取定的x轴和y轴分解，由于各波列的光矢量的相和振动方向都是无规则分布的，将所有波列光矢量的x分量和y分量分别 叠加起来，得到的总光矢量的分量E x 和E y 之间没有固定的相关系，因而它们之间是不 相干的。同时E x 和E y 的振幅是相等的，即A x =A y 。这样，我们可以把自然光分解为两 束等幅的、振动方向互相垂直的、不相干的线偏振光。这就是自然光的线偏振表示， 如下图（a）所示。分解的两束线偏振光具有相等的强度I x =I y ，又因自然光强度 I=I x +I y 所以每束线偏振光的强度是自然光强度的1/2，即 通常用图（b）的图示法表示自然光。图中用短线和点分别表示在纸面内和垂直于纸面的光振动，点和短线交替均匀画出，表示光矢量对称而均匀的分布。 （2）线偏振光
实验( 9 )偏振光的观察与研究 班级18020S01 学号1802004137 姓名沈豹组别 日期2020-6-5 指导教师 一．实验目的 1．了解光的五种偏振状态。 2．了解偏振光元件和偏振光的检验。 3．掌握马吕斯定律。 二．实验仪器 偏振光观察与研究的实验装置包括以下几个部分：光源（可发出多种类型激光）偏振片、波晶片（λ/2和λ/4波长）、光屏。 三．实验原理 为了研究光的偏振态和利用光的偏振特性进行各种分析和测量工作，需要各种偏振元件：产生偏振光的元件、改变光的偏振态的元件等，下面分类介绍。 1．产生偏振光的元件 在激光器发明之前，一般的自然光源产生的光都是非偏振光，因此要产生偏振光都要使用产生偏振光的元件。根据这些元件在实验中的作用，分为起偏器和检偏器。起偏器是将自然光变成线偏振光的元件，检偏器是用于鉴别光的偏振态的元件。在激光器谐振腔中可以利用布儒斯特角使输出的激光束是线偏振光。 将自然光变成偏振光的方法有很多，一个方法是利用光在界面反射和透射时光的偏振现象。我们的先人在很早就已经对水平面的反射光有所研究，但定量的研究最早在1815年由布儒斯特完成。反射光中的垂直于入射面的光振动（称s分量）多于平行于入射面的光振动（称p 分量）；而透射光则正好相反。在改变入射角的时候，出现了一个特殊的现象，即入射角为一特定值时，反射光成为完全线偏振光（s分量）。折射光为部分偏振光，而且此时的反射光线和折射光线垂直，这种现象称之为布儒斯特定律。该方法是获得线 偏振光的方法之一。如图1所示。因为此时, , ，若=1（为空气的折射率），则 图1 布儒斯特定律原理图 叫做布儒斯特角，所以通过测量布儒斯特角的大小可以测量介质的折射率。 由以上介绍可以知道利用反射可以产生偏振光，同样利用透射（多次透射）也可以 产生偏振光（玻璃堆）。 图2 格兰棱镜起偏、检偏原理 第二种是光学棱镜，如尼科耳棱镜、格兰棱镜等，它是利用晶体的双折射的原理制 成的。在晶体中存在一个特殊的方向（光轴方向），当光束沿着这个方向传播时，光束不 分裂，光束偏离这个方向传播时，光束将分裂为两束，其中一束光遵守折射定律叫做寻 常光（o光），另一束光一般不遵守折射定律叫做非寻常光（e光）。o光和e光都是线偏振 光（也叫完全偏振光），两者的光矢量的振动方向（在一般使用状态下）互相垂直。改变 射向晶体的入射光线的方向可以找到光轴方向，沿着这个方向，o光和e光的传播速度相等，折射率相同。晶体可以有一个光轴，叫做单轴晶体，如方解石、石英，也可以有两 个光轴，叫双轴晶体，如云母、硫磺等。包含光轴和任一光线的平面叫对应于该光线的 总成绩： 预习操作处理
实验报告 女姓名. *****班级：*****■学号. *****实验成绩： 同组姓名：*****实验日期：*****指导教师：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一一起偏，也可以用来鉴别线偏振光、自然光和部分偏振光一一检偏。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 的线偏振光的强度为I
偏振光现象的观察和分析 引言： 光的偏振现象有法国工程师马吕斯首先发现。对光偏振现象的研究清楚地显示了光的横波性，加深了人们对光传播规律的认识。近年来光的偏振特性在光调制器、光开关、光学计量、应力分析、光信息处理、光通信、激光、光电子器件中都有广泛应用。 本实验利用偏振片和1/4波片观察光的偏振现象，并分析和研究各种偏振光。从而了解1/4波片和1/2波片的作用及应用，加深对光偏振性质的认识。 实验原理 1、 偏振光的种类。 光可按光适量的不同振动状态分为五类： （1）线偏振光 （2）自然光 （3）部分偏振光 （4）园偏振光 （5）椭圆偏振光 使自然光变成偏振光的装置称为起偏器，用来检验偏振光的装置称为检偏器。 2、 线偏振光的产生。 （1）反射和折射产生偏振 自然光以 i B =arc tan n 的入射角从空气入射至折射率为n 的介质表面上时，反射光 为线偏振光。以 i B 入射到一叠平行玻璃堆上的自然光，透射出来后也为线偏振光。 （2）偏振片。 利用某些晶体的二向色性可使通过他的自然光变成线偏振光。 （3）双折射产生偏振。 自然光入射到双折射晶体后，出射的o 光和e 光都为线偏振光。 3、 波晶片 4、 线偏振光通过各种波片后偏振态的改变。 在光波的波面中取一直角坐标系，将电矢量E 分解为两个分量E X 和E y ，他们频率相同都为ω，设E y 相对E X 的相位差为?φ，即有 E X =A x cos ωt （2） E y =A y cos(ωt +?φ) （3） 由（2）、（3）两式得，对于一般情况，两垂直振动的合成为： e 轴 O 轴 θ 光 轴 图 1
光的偏振特性研究 光是一种电磁波。干涉和衍射现象揭示了光的波动性，而光的偏振现象证实了光的横波性。本实验主要研究光的一些基本的偏振特性，深入学习光的偏振理论。 一、实验目的 （1）观察光的偏振现象，加深对偏振光的基本概念的理解。 （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。 二、实验仪器 光具座，激光器，偏振片，1/4波片，光屏，光电转换装置，观测布儒斯特角装置。 三、实验原理 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其传播方向的平面内，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起偏器。 1.偏振光的产生 偏振光的产生有以下几种方式： （1）由非金属镜面的反射。当自然光由空气照射在非金属镜面上时，反射光和透射光都将成为部分偏振光，当入射角增大到某一特定值是，反射光成为完全偏振光，只剩下垂直于入射面分量，此时的入射角φ称布儒斯特角，介质的折射率n=tan φ。 （2）由玻璃堆折射。当自然光以布鲁斯特角入射到迭在一起的多层玻璃上时，经过多次反射后，透射的光就近似为线偏振光； （3）用偏振片可得到一定程度的线偏振光； （4）利用双折射晶体产生的寻常光和非常光，均为线偏振光。 2.偏振片 偏振片一般用具有网状分子结构的高分子化合物—聚乙烯醇薄膜作为片基，将这种薄膜浸染具有强烈二向色性的碘，经过硼酸水溶液的还原稳定后，再将其单向拉伸4~5倍以上而制成。偏振片既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 设两偏振片透射方向夹角为θ，自然光通过起偏器后变成光强为I 0的线偏振光，再经过检偏器后，透射光的强度变为 θ20cos I I = （1） 上式即为马吕斯定律。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。 nemo xatu 2011.11.21
偏振光的研究 2006.1.10 中国科学技术大学国家级精品课程大学物理实验讲座前言 干涉和衍射—光的波动性 偏振—光是横波 光的偏振现象 偏振元件应用 S E H =? 光的矢量性—光是横波 K为波面的法线方向，S为光波的能量传播方向。 在各向同性的介质中S与K同向。在各向异性的介质中S与K不同向。 自然光线偏振光
部分偏振光 圆偏振光 椭圆偏振光 部分偏振度 定义： min max min max I I I I P +-= 椭圆偏振光的形成（两个互相垂直的振动的合成） ) cos()cos(2010αωαω+=+=t E E t E E y y x x 椭圆方程式： 002121221002 022 022 /) (sin )cos(2 E E E E E E E E E E E y x y x y x y y x x ====--=--+ 正椭圆 πδαααααα 改变光的偏振态的方法 1、利用偏振片 2、利用反射现象 3、利用双折射晶体 光的散射 利用偏振片产生偏振光 马吕斯定律（1809年）和消光现象
菲涅耳公式 （只写出反射时的公式） ) sin()sin()tan() tan(r φθφθφθφθ+--== +-= = S S S P P P A R r A R 注：R ，A 为振幅 布鲁斯特角：12tan n n =θ 利用布儒斯特角产生偏振光
全反射时光的偏振态的改变 反射波的振幅比可以改写为： θ θθθθ θθ θ2 222222 222sin cos sin cos sin cos sin cos -+-+-=-+--=n n n n r n n r P S 1)(sin sin sin 12<=≥=n n n n n 全反射θφθ 当入射角大于或等于临界角sin-1(n)时 P S i i P i i S e e i B i B n i i n n i n r e e i A i A n i n i r δβδαββθθθααθθθθ==-= -+-+-= ==-= -+--=--22 2122 2 2 22 222) exp() exp(sin cos sin cos ) exp() exp(sin cos sin cos P S δδ?-= 全反射时的相位改变 菲涅耳棱体
光学设计性实验论文
偏振光特性的研究 摘要： 实验目的： （一）学习用光电转换的方法测定相对光强, 验证马吕斯定律。 （二）研究1/4波片的光学特性 （三）研究半导体激光器的偏振特性（测出其偏振度） （四）研究物质的旋光特性 （五）观察石英晶体的旋光特性和测量旋光度 （六）观察旋光色散，并解释现象 实验要求： （一）掌握各种偏振光的特性。 （二）学会辨别各种偏振光。 （三）了解偏振光干涉和双折射现象 关键词： 偏振、马吕斯定律、1/4波片、偏振特性、偏振度、旋光特性、旋光色散。 引言： 光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性质，而光的偏振现象进一步验证了光波是横波。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。 实验原理： 1．偏振光的种类 光是电磁波，它的电矢量E和磁矢量H相互垂直，且又垂直于光的传播方向．通常用电矢量代表光矢量，并将光矢量和光的传播方向所构成的平面称为光的振动面．按光矢量的不同振动状态，可以把光分为五种偏振态：如光矢量沿着一个固定方向振动，称为线偏振光或平面偏振光；如在垂直于传播方向的平面内，光矢量的方向是任意的，且各个方向的振幅相等，则称为自然光；如果有的方向光矢量的振幅较大，有的方向振幅较小，则称为部分偏振光；如果光
矢量的大小和方向随时间作周期性的变化，且光矢量的末端在垂直于光传播方向的平面内的轨迹是圆或椭圆，则分别称为圆偏振光或椭圆偏振光． 能使自然光变成偏振光的装置或器件，称为起偏器；用来检验偏振光的装置或器件，称为检偏器． 2．线偏振光的产生 (1)反射和折射产生偏振 根据布儒斯特定律，当自然光以 n i b arctan =的入射角从空气或真空入射至折射率为n 的介质 表面上时，其反射光为完全的线偏振光，振动面垂直于入射面，而透射光为部分偏振光，b i 称 为布儒斯特角． 如果自然光以b i 入射到一叠平行玻璃片堆上，则经过多次反射和折射最后从玻璃片堆透射 出来的光也接近于线偏振光．玻璃片的数目越多，透射光的偏振度越高． (2)偏振片 它是利用某些有机化合物晶体的“二向色性”制成的．当自然光通过这种偏振片后，光矢量垂直于偏振片透振方向的分量几乎完全被吸收，光矢量平行于透振方向的分量几乎完全通过，因此透射光基本上为线偏振光． (3)双折射产生偏振 当自然光入射到某些双折射晶体(如方解石、石英等)时，经晶体的双折射所产生的寻常光(o 光)和非常光(e 光)都是线偏振光． 3．波晶片 波晶片简称波片，它通常是一块光轴平行于表面的单轴晶片，一束平面偏振光垂直入射到波晶片后，便分解为振动方向与光轴方向平行的e 光和与光轴方向垂直的o 光两部分(如图1所示)．这两种光在晶体内的传播方向虽然一致，但它们在晶体内传播的速度却不相同(为么?)．于 是，e 光和o 光通过波晶片后就产生固定的相位差δ， 即 l n n o e )(2-= λ π δ
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
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
实验题目：偏振光的研究 实验者：PB08210426 李亚韬 实验目的：掌握分光计的工作原理，熟悉偏振光的原理和性质。验证马吕斯定律，并根据 布儒斯特定律测定介质的折射率。 实验原理： 为了研究光的偏振态和利用光的偏振特性进行各种分析和测量工作，需要各种偏振元件：产生偏振光的元件、改变光的偏振态的元件等，下面分类介绍。 1 产生偏振光的元件 在激光器发明之前，一般的自然光源产生的光都是非偏振光，因此要产生偏振光都要使用产生偏振光的元件。根据这些元件在实验中的作用，分为起偏器和检偏器。起偏器是将自然光变成线偏振光的元件，检偏器是用于鉴别光的偏振态的元件。在激光器谐振腔中可以利用布儒斯特角使输出的激光束是线偏振光。 将自然光变成偏振光的方法有很多，一个方法是利用光在界面反射和透射时光的偏振现象。我们的先人在很早就已经对水平面的反射光有所研究，但定量的研究最早在1815年由布儒斯特完成。反射光中的垂直于入射面的光振动（称s 分量）多于平行于入射面的光振动（称p 分量）；而透射光则正好相反。在改变入射角的时候，出现了一个特殊的现象，即入射角为一特定值时，反射光成为完全线偏振光（s 分量）。折射光为部分偏振光，而且此时的反射光线和折射光线垂直，这种现象称之为布儒斯特定律。该方法是可以获得线偏振光的方法 之一。如图1所示。因为此时 20π γ= +i ，γsin sin 201n i n =， 12 0000sin cos sin n n sin i i i tgi === γ，若n 1=1（为空气的折射率），则 2tgi n = （1） 0i 叫做布儒斯特角，所以通过测量布儒斯特角的大小可以测量介质的折射率。 由以上介绍可以知道利用反射可以产生偏振光，同样利用透射（多次透射）也可以产 生偏振光（玻璃堆）。第二种是光学棱镜，如尼科耳棱镜、格兰棱镜等，它是利用晶体的双折射的原理制成的。在晶体中存在一个特殊的方向（光轴方向），当光束沿着这个方向传播时，光束不分裂，光束偏离这个方向传播时，光束将分裂为两束，其中一束光遵守折射定律叫做寻常光（o 光），另一束光一般不遵守折射定律叫做非寻常光（e 光）。o 光和e 光都是线偏振光（也叫完全偏振光），两者的光矢量的振动方向（在一般使用状态下）互相垂直。改变射向晶体的入射光线的方向可以找到光轴方向，沿着这个方向，o 光和e 光的传播速度相等，折射率相同。晶体可以有一个光轴，叫做单轴晶体，如方解石、石英，也可以有两个光轴，叫双轴晶体，如云母、硫磺等。包含光轴和任一光线的平面叫对应于该光线的主平面，o 光电矢量的振动方向垂直于o 光主平面，e 光电矢量的振动方向平行于e 光主平面。 格兰棱镜由两块方解石直角棱镜构成，两棱镜间有空气间隙，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o 光和e 光，o 光在空气隙上全反射，只有e 光透过棱镜射出。