实验27 偏振光的特性研究
光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性，而光的偏振现象却直接有力地证明了光波是横波。光的偏振现象已广泛运用于光开关、光调制器、应力分析等科研和生产实际中。本实验通过对偏振光的观察和分析，以加深对光的偏振基本规律的理解。
【预习提要】
（1）什么是偏振光?
（2）偏振光有哪几种?
（3）什么是起偏器?什么是检偏器?
（4）什么是马吕斯定律?
（5）波片有什么作用?
（6）什么是旋光效应？
（7）什么是电光效应？
（8）什么是磁光效应？
【实验要求】
（1）掌握各种偏振光的特性。
（2）学会辨别各种偏振光。
（3）了解偏振光干涉和双折射现象。
（4）利用各种偏振光测量有关的物理量。
【实验目的】
（1）观察光的偏振现象，掌握产生偏振光的方法和检验方法。
（2）学习用光电转换的方法测定相对光强，验证马吕斯定律。
（3）了解波片的作用及椭圆偏振光的产生和检验方法。
（4）学会利用偏振光进行一些物理量的测量。
【实验器材】
λ波片，2/λ波片，起偏器，检偏器，晶体劈尖，旋光激光器，白光源，滤色片，4/
器件，电光器件，磁光器件，微电流放大器，光电池，光具座。
【实验原理】
1．自然光和偏振光
·206·
·207·光波是横波，光波电矢量的振动方向垂直于光的传播方向。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。从统计规律看，在空间所有可能的方向上，光波电矢量的分布可看作是机会均等的，它们的总和与光的传播方向对称。这种光称为自然光。由于自然光通过媒质的折射、反射、吸收和散射后，使光波电矢量的振动在某个方向具有相对的优势，而使其分布对传播方向不再对称。具有这种取向的光，统称为偏振光。
偏振光可分为部分偏振光、平面偏振光（线偏振光）、圆偏振光和椭圆偏振光。如果光波电矢量的振动在传播过程中只是在某一确定的方向上占有相对优势，则这种偏振光称为部分偏振光；如果光波电矢量的振动方向只局限在某一确定的平面内，则这种偏振光称为平面偏振光，因其电矢量末端的轨迹为一直线，故又称为线偏振光，如图4-27-1所示；如果光波电矢量随时间作有规则的改变，即电矢量末端在垂直于传播方向的平面的轨迹呈圆形或椭圆形，则称为圆偏振光或椭圆偏振光，如图4-27-2所示。
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。实际上，任何起偏器都可看作为检偏器。
2．平面偏振光的产生和特性
产生平面偏振光的方法有：反射产生偏振、多次折射产生偏振、双折射产生偏振和选择性吸收产生偏振。本实验采用具有选择吸收的偏振片产生平面偏振光。
图4-27-1 平面偏振光 图4-27-2 椭圆偏振光 有些晶体对两个振动方向相互垂直的光波电矢量具有不同的吸收本领，这种选择性吸收，称为二向色性。当自然光通过二向色性晶体时，振动的电矢量与晶体光轴垂直时几乎被完全吸收；电矢量与光轴平行时几乎没有损失，于是，透射光就成为平面偏振光。
偏振片是用人工方法制成的薄膜，具有二向色性，是用特殊方法使选择性吸收很强的微晶体在透明胶质层中作有规律的排列而制成，它允许透过某一电矢量振动方向的光（此方向称为偏振化方向），而吸收与它垂直方向振动的光。因此，自然光通过偏振片后，透射光基本上成为平面偏振光。由于偏振片易于制作，所以它是普遍使用的偏振器。
在图4-27-3中，M M ′和N N ′分别表示起偏器和检偏器的“偏振化方向”
，它们之间的夹角为θ。令A 0为通过起偏器的振幅，将A 0分解为θcos 0A 和θsin 0A ，其中只有平行于检偏器N N ′的分量θcos 0A 可以通过检偏器。设I 0和I 分别为透过起偏器和检偏器的光强，透过检偏器的光振幅θcos 0A A =，因光强度与振幅平方成正比，所以2
020//A A I I =，故
·208
· 透过检偏器的光强为
θθ20202202cos /cos I A A I I == （4-27-1）
式（4-27-1）称为马吕斯定律。
图4-27-3 自然光通过起偏器和检偏器的变化
根据马吕斯定律，平面偏振光透过检偏器的光强随偏振面和检偏器的“偏振化方向”之间的夹角θ而变化。当0=θ或π时，透射光强最大；而当2/πθ=或2/3π时，透射光强为零，即当检偏器转动一周时会出现两次消光现象。
3．椭圆、圆偏振光的产生和4/λ波片的作用
波片是从单轴双折射晶体上平行于光轴方向切下的薄片。若平面偏振光垂直入射波片，且其振动面（振动方向与传播方向所确定的平面）与波片的光轴成α角，则在波片内入射光就分解为振动方向互为垂直的两束平面偏振光，称为o 光和e 光，如图4-27-4所示。它们的传播方向一致，因在晶体内传播速度不同而产生一定的相位差，当它们经过厚度为d 的波片时，光程差为d n n e )(0?，即相应的相位差为
d n n
e )(20?=λπ
δ （4-27-2）
式中，λ为入射光波长；0n 和e n 分别为波片对o 光和e 光的折射率。
显然，通过晶片后的偏振光，将是沿同一方向传播
的两个平面偏振光叠加的结果。由于o 光和e 光的振幅
不等，有一定相位差，且振动方向互相垂直，一般合成
为椭圆偏振光。椭圆的形状随o 光和e 光的相位差δ值
的不同而改变。对于同种晶体，决定椭圆形状的因素是
入射光的振动方向与光轴的夹角α以及晶片的厚度d 。
如图4-27-5所示。
若相位差πδK 2=，!,3,2,1=K ，则 d n n K e )(220?=λπ
π
图4-27-4 平面偏振光透过波片
·209·
)
(0e n n K d ?=λ （4-27-3） 故波片的厚度为波长的整数倍，称为全波片。从波片透射出的光为平面偏振光。
图4-27-5 不同δ值的椭圆形状
当πδ)12(+=K ，!,3,2,1=K ，则
)(120e n n d ??=
λ （4-27-4） 称为λ2
1波片，从波片透射出的光为平面偏振光，但振动面相对于入射光转过2α角。 当2/)12(πδ+=K ，!,3,2,1=K ，则
)(140e n n d ??
=λ （4-27-5）
图4-27-6 圆、椭圆偏振光
·210
· 称为λ4/1波片。一般透射光为椭圆偏振光。但是，当0=α或2/πα=时，透射光为平面偏振光。当4/πα=时，透射光为圆偏振光，如图4-27-6所示。
4．偏振光干涉
（1）偏振干涉的产生
两列频率相同、振动方向一致和有恒定的位相差的光波是相干的。无论自然光还是平面偏振光，只要满足上述条件，都会发生光的干涉现象。平面偏振光通过光轴平行于折射表面的晶片时，分成o 光和e 光，它们的频率相同，有恒定的位相差，但它们的振动方向互相垂直不能产生干涉。
如果在晶片后再放置一检偏器，则o 光和e 光平行于检偏器主截面的分量可以透过检偏器，它们的振动方向平行并且满足相干条件，因此发生干涉。若晶片成尖劈状(可用石英晶体制作)，则见有明暗相间的干涉条纹，这种现象称为偏振光的干涉。如图4-27-7所示，当θ＝Л／4时，无论P1和P2是平行还是正交放置，Ae 和Ao 的大小相等，这时干涉条纹的可见度最好。这是实际工作中常用的状态。
（2）显色偏振
由于光强I 1（垂直）与I 2（平行）是互补的，所以对于给定的一晶片，在正交偏振器中由系统透射出来的光为干涉最大，而在平行偏振器中却为干涉最小，反之亦然。用白光照射该系统时，对各种不同波长的光，干涉最大和最小的条件不是同时满足的，所以不同波长的光有不同程度的加强和减弱，混合起来就呈现彩色，不同厚度的晶片出现不同的彩色称为干涉色。任何两种彩色，如果混合起来能够成为白色，则每一种都称为另一种的互补色，对于同一晶片，在正交偏振器系统中所呈现的颜色与在平行偏振器系统呈现颜色不同，但它们总是互补的。在两偏振器由正交向平行过渡时，随着转动其中一个偏振器，视场中将显示出各种色彩的变化，这种现象叫做显色偏振。
显色偏振是检验双折射现象的十分灵敏的方法。当两个主折射率差n o -n e 很小时，用直接观察o 光和e 光的方法，很难判断双折射的发生。然而，持具有微弱的各向异性物质做成的薄片置于正交的偏振器之间，用白光照射，观察是否显示彩色的现象，即能判定有否双折射存在。
图4-27-7 偏振光的干涉
（3）偏光干涉现象的实际应用
如果两个偏振片间插入的是一块透明的各向异性物质C（例如透明的塑料、玻璃等），一般就没有光从P2中透出，可是一旦使C受到挤压或拉伸，其内部立即会沿受力方向出现人为的“光轴”，使C显现出人为双折射性。线偏振光通过C被分解为振动方向互相垂直、彼此间又具有一定相位差的两束线偏振光，故通过检偏器P2后引导到同一振动方向而产生干涉。因光源S是白光，所以出现彩色的干涉条纹。
偏光干涉现象有许多实际应用，工业上常用模拟实验的方法来分析某些机械部件或工程构件在实际使用条件下内部的应力分布。双折射是各向异性介质中的普遍现象，在各向同性介质如玻璃或塑料中是不存在的．但是如果玻璃或塑料在制造过程中残存内应力，或者在制成后外加一定大小的外应力，那么由于这些应力总是各向异性的，因而这种玻璃或塑料也会出现各向异性而产生双折射现象。利用偏光干涉现象可以很容易观察到这种双折射，从而检查材料中的应力分布，这种仪器称为光测弹性仪，它主要就是让一束单色光入射到两个透振方向相互垂直放置的偏振片，把待测工件插入这两个偏振片之间，观察由工件上应力造成的干涉条纹。这种仪器常用来检查光学玻璃材料的退火是否完善，因为若退火不完善，就会有剩余应力，因而会出现干涉条纹。条纹越密表示应力越大。此外，如果把一块玻璃或塑料做成某种形状，例如轮轴或横梁等，放在光测弹性仪的两偏振片中，然后从一定方向外加压力，于是可以看到在该元件中产生应力的分布情况。根据这种对应力分布的观察，可以对改进轮轴或横梁等的设计提供可靠的实验依据。
5．旋光现象
虽然光沿着光轴方向传播时，不会发生双折射，但是却发现平面偏振光沿着光轴传播时，它的振动面会以光线前进方向为轴逐渐旋转，这种现象称为旋光现象。单色平面偏振光通过旋光性物质时，光的振动面转过的角度Φ，与在该物质中通过放距离L成正比：
Φ（4-27-6）
=
acL
C为溶液的浓度，比例系数a称为物质的旋光率，它的数值等于单位浓度的该物质中光通过单位长度时振动面所转过的角度。
各种不同波长的光旋转的角度不同，一毫米厚的石英晶片，使589.0nm的平面偏振光转过21.750，而404.7nm偏振光则转过48.950，257.1nm的则转过1430。波长越短转的角度越大。旋光率随波长变化的现象称为旋光色散。
图4-27-8 旋光效应
直线偏振光通过蔗糖(CuH220u)水溶液时，其方位发生旋转，用这种方法可测定糖的浓度。假如椭圆偏振光的两个正交的主独分量，即两个直线偏振光分量的方位以相等角度旋转的话，那么通过旋光器的椭圆偏振光只发生方位的旋转，而其椭圆偏振光的状态不变。
·211·
除蔗糖外，果糖是左旋的，葡萄糖是右旋的，偏振光的旋转方向在果糖中和在葡萄糖中是相反的。这是由于虽然分子式相同，但分子的立体结构不同的缘故。
6.电光效应
除了外力可引起物质的各向异性以外，电场也可以引起某些物质的各向异性，从而产生双折射。
对液体或固体，从外部施加电场时，它们的折射率将发生变化的现象被称为电光效应。其折射率随电场的强度成比例变化时称为波克尔斯效应。若与电场的二次方成比例时，称为克尔效应。应用波克尔斯效应的调制器叫波克尔斯盒，应用克尔效应的调制器叫克尔盒。
在显现波克尔斯效应的晶体上加上电极作为光调制器来使用，称其为波克尔斯盒。磷酸二氢钾(KDP)，磷酸二氢铵(ADP)，铌酸钠钡(BNN)以及钛酸锂(LiTiO3)等都是波克尔斯效应很显著的晶体。在晶体上加电场的方式可有两种，一种是在与光的传播方向垂直的方向上加电场，这叫横向调制方式。另一种是在与光的传播方向平行的方向上加电场，这称为纵向调制方式，所加电压高达数千伏。在进行光调制时，在两个偏振片间插入这个波克尔斯盒，电场加到与光轴垂直的方向上，产生复折射现象，使入射到盒上的直线偏振光变成椭圆偏振光。由于透过的光与所加电压成比例，可测定加在盒上的电场强度与相位延迟δ的关系。盒的δ在Л附近时，入射光的大部分能通过，切断电场时，透过光变为零。因此，只在加上电场时才能透过光，从而进行光调制。
图4-27-9 电光效应
克尔效应比较明显的材料是硝基苯(C6H5N02)液体．把它装在两头透明中间可加电场的盒子里，称为克尔盒。把克尔盒插入两偏振片之间，在它两端加上电压，就可以用电压的大小来控制o光与e光的相位差，从而控制透射光的偏振态，这就是电光调制器。由于硝基苯的克尔效应速度极快，约为10-11秒，因而还可以用作高速的光开关，在高速摄影、激光测距、超短脉冲等方面有十分广泛的应用。
·212·
·213·
硝基苯(C6H5N02)、硝基甲苯(C6H4(CH3)N02)中克尔效应较显著。直线偏振光通过距离为d 的物质后产生的位相差：
()d n n e o ?=λπ
δ2
和电场E 的关系为 22E B t πδ=
则 2
E B n n t e o λ=? （4-27-7） 其中t B 是克尔常数，与物质的性质、温度及波长λ有关。 所以可在两片正交的偏振器之间放置波克尔斯盒或克尔盒作成电快门。因为这种电快门可在高速电脉冲下工作，故可用来测定光速。克尔效应是随施加的电场同时产生的，完全不存在惯性，即使存在也非常小，可以忽略。这就是用它作电快门的原因。
有些晶体本身虽有双折射，但加电场后的双折射情况发生改变，产生附加的相位差，这种相位差与电场E 成正比，称为晶体的线性电光效应，即泡克耳斯效应．这种晶体也可用作光调制器或光开关。例如，KDP 晶体，它的优点是所需电压比较低，由于是固体，携带、使用都比液体方便得多。
7.磁光效应
与外力或电场可在各向同性介质中产生双折射相似，磁场可在某些介质中产生旋光，这种现象称为磁致旋光效应或法拉第(Farady)效应。如图所示，把样品放在一对电磁靴之间，在磁靴上开通光孔，并在光的入射与出射口各放一块偏振片，于是，就可以观察到磁致旋光效应．其偏振面旋转角度θ与光在样品中通过的长度上及磁感应强度B 成正比，可写为
VLB =θ （4-27-8）
其中的比例系数V 称为维尔德(Verdet)常量。
图4-27-10 磁光效应
磁致旋光的旋转方向由光与磁场的相对方向决定，光的传播方向与磁场方向相同时为左旋，方向相反时为右旋。利用这一特性可以制成光隔离器，即只允许光从一个方向通过
的“光活门”。例如，选择材料的厚度L 和磁感应强度B （500mT ），使0
45=θ，而P l 与
·214
· P 2按透振方向相差0
45放置，如图所示，则若光从P 1到P 2可以顺利通过，那么，光从P 2到P 1时，由于光的前进方向相反，旋转方向也相反，故偏振面将转到x 方向，因此这束光将不能通过P1。这种光隔离器常在激光的多级放大装置中使用，它可避免反射光对前级的干扰。
【实验内容】
1．研究平面偏振光特性和验证马吕斯定律
转动起偏器P 1，使P 1与P 2的偏振化方向平行（或正交），此时电表示值为最大（或最小），即此时P 1、P 2的偏振化方向夹角0=θ（或2πθ=
）。再转动起偏器P 1，使α每改变
15o 记录一次电表读数，直到P 1旋转一周。 2．研究椭圆偏振光、圆偏振光的特性
（1）转动P 1，使P 1、P 2的偏振化方向正交；在P 3处放置4/λ波片，使P 1转过一个适当的角度，即使入射4/λ波片的平面偏振光的振动面与波片的光轴成一定的夹角α。
（2）转动P 2，使之每转15o 记录一次电表的读数，直到P 2旋转一周。
（3）转运P 1，使o 45=α；缓慢转动P 2一周，观察电表读数的变化，并作相应的记录。
（4）转动P 1，使0=α和2πα=
；缓慢转动P 2一周，观察电表读数的变化，并作相
应的记录。 3．观察偏振光的干涉及人为双折射现象
（1）首先用白光源调节P 1和P 2的偏振化方向至垂直，使视场全黑。然后，将厚度不同的具有双折射性质的玻璃纸插入P 1和P 2的光路中间，则全暗的视场出现鲜明的干涉色彩。再将P 1转过90o ，即由原来的正交系统变成平行系统，原来产生相长干涉（或相消干涉）的光变成相消干涉（或相长干涉），因此，同一厚度处的颜色变为对应的互补色（能合成白色的任何两种色称为互补色）。
（2）在P 1与P 2之间换插一块各向同性的环氧树脂板，并侧向对其施加压力，观察人为双折射现象。要注意施力大小不同时，颜色条纹的变化。从干涉花样就可分析介质内部的应力分布。
4．利用旋光现象测液体浓度
如图4-27-8所示，测量三个装有不同浓度糖溶液的测试管（它们的长度相同）所产生的旋光度，并测量未知糖溶液的浓度。
5．电光效应
如图4-27-9所示，利用两片正交的偏振器之间放置波克尔斯盒或克尔盒设计制作光开关。测定加在盒上的电场强度与相位延迟δ的关系，判断所用的电光器件是波克尔斯盒还
·215·
是克尔盒。
6．磁光效应
如图4-27-10所示，测量在不同励磁电流下其偏振面的旋转角度θ，利用磁光效应计算磁场大小，作出励磁电流和磁场大小的关系曲线。
【数据处理】
1．研究平面偏振光特性
（1）数据记录
0/θ
0 15 30 45 60 75 90 105 mV U / 0/θ
120 135 150 165 180 195 210 225 mV U / 0/θ
240 255 270 285 300 315 330 345 mV U /
（2）以U 为极轴，用极坐标作U ~θ图线；以0/I I 为纵坐标、θ2
cos 为横坐标，用直角坐标纸作0/I I ~θ2cos 图线；分析实验结果。 2．研究椭圆偏振光特性
（1）数据记录
=α
0/θ
0 15 30 45 60 75 90 105 mV U / 0/θ
120 135 150 165 180 195 210 225 mV U / 0/θ
240 255 270 285 300 315 330 345 mV U /
·216·
（2）以U 为极轴，用极坐标纸作U ~θ图线，分析实验结果。
（3）记录当o
45=α，0o ，90o 时所观察的现象。 3．利用旋光现象测液体浓度
在坐标纸上作出旋光度Φ和浓度C 的关系图线，并由图线求出旋光率a ，再算出未知糖溶液的浓度。
4．电光效应
通过电场强度E 与相位延迟δ的关系曲线判断所用的电光器件是波克尔斯盒还是克尔盒。
5．磁光效应
作出励磁电流和磁场大小的关系曲线。
【注意事项】
（1）使用光学元件时要轻拿轻放，避免元件受损或碰坏。
（2）不要用手接触元件的光学表面。
（3）若光学表面有污痕，不能自行处理，应请教师指导处理。
【思考题】
（1）起偏器和检偏器是同一种器件吗?
（2）如何应用光的偏振现象说明光的横波特性?
（3）如何用实验的方法鉴别自然光与圆偏振光?鉴别部分偏振光和椭圆偏振光?
（4）如何利用电光效应测光速？
（5）如何利用磁光效应制作单向光阀门？
大学物理实验报告【实验名称】偏振光的分析 【实验目的】 1．观察光的偏振现象，巩固理论知识，加深对光的偏振现象的认识。 2．学习直线偏振光的产生与检验方法，了解圆偏振光和正椭圆偏振光的产生和定性检验方法。 【实验仪器】 He-Ne 激光器、光具座、偏振片（两块）、632.8nm 的1/4 波片（两块）、玻璃平板及刻度盘、白屏等。 【实验原理】 1．光的偏振状态 偏振是指振动方向相对于波的传播方向的一种空间取向作用。它是横波的重要特性。光在传播过程中，若电矢量的振动只局限在某一确定平面内，这种光称为直线偏振光，又叫平面偏振光（因其电矢量的振动在同一平面内）；若光波电矢量的振动随时间作有规律的改变，即电矢量的末端在垂直于光传播方向的平面上的轨迹是圆或椭圆，这样的光称为圆偏振光和椭圆偏振光；若光波电矢量的振动只在某一确定的方向上占优势，而在和它正交的方向上最弱，各方向的振动无固定的位相关系，这种光称为部分偏振光。直线偏振光垂直通过波片的偏振状态 入射线偏振光的振动方向 与波片光轴间的夹角 光 ≠ 0°，≠ 45°，≠ 90° 转过2的直线偏振光 正椭圆偏振光，长短轴之 比为tg，ctg 内切于边长比为tg的矩 形的椭圆偏振光
【实验内容】 1.测定玻璃对激光波长的折射率 2.产生并检验圆偏振光 3.产生并检验椭圆偏振光 【数据表格与数据记录】 pιl p2I i p3 =^l-^I = ∣250o-307o∣ = 57o i pi =?φ1-φ↑=∣250o - 306o∣ = 56°i p5 =^l-^I= ∣250o - 308o∣ = 58o. =?φ1~φ↑=∣250o-307o∣ = 57o ^=^l-^I = I250o-306o∣ = 56° -_ G+?…+S? _ s7o I P _ γ_ D 7 tan- n- tan57o =1.5399 现象：两次最亮，两次消光。结论：圆偏振光
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。
偏振光的观察与分析 【实验内容及数据处理要求】 1）将半导体激光器、功率计探头与激光功率计后面板上的相应插座相连。 2）在光学导轨一端分别安装半导体激光器和功率计探头，开启功率计，选择直径为6.0 mm 的圆孔作为功率计 探头的入射光阑。 3）调整激光器、功率计探头在支架上的固定高度及激光器的二维调节螺旋，使激光束同轴等高地平行射入功率计探头的Φ6.0光阑孔中。 4）验证马吕斯定律 ① 在靠近激光器的一侧加入一个偏振片并调整其高度与激光器、功率计探头同轴等高。旋转偏振片使功率计的示数为极大值（功率计应选恰当档位，如2 mW ）。 ② 对功率计清零：先用白屏紧贴半导体激光器遮住激光，调节功率计的“调零”旋钮使其示数为0，然后拿走白屏。 ③ 在靠近功率计探头的一侧加入另一个偏振片（作检偏器），并调整其高度与之前安装的光学元件同轴等高，并对功率计清零。 ④ 转动检偏器直至功率计的示数恰好为零，记录下检偏器上的角度θ0和功率计示数；接着以此角度为基准，沿同一方向转动检偏器，每转15°就记录下检偏器上的角度θ和相应的功率计示数。 数据处理要求：以加入检偏器后功率计的最大示数作为I 0，先由马吕斯定律计算出各相对角度α所对应的理论功率，然后在同一坐标纸上绘出马吕斯定律的理论曲线和实测值拟合曲线，计算各α对应功率值的百分偏差，并根据结果得出是否验证的结论。 注意：相对角度α（090θθ=-?-）是因为功率计示数为0时，检偏器与起偏器的透振方向夹角为90°。实验中每加入一个光学元件，就需要对功率计进行清零，以消除由该元件折射、反射进入功率计探头的杂散光对实验结果的影响。 5）产生和鉴别（椭）圆偏振光 ① 紧接4）的第④步，转动检偏器重新使功率计示数为零（系统处于消光状态）此时检偏器的角度记为初始位置0θ。 ② 在起偏器和检偏器之间插入1/4波片，旋转1/4波片角度使功率计示数有极大值，然后调整1/4波片使与之前安装的光学元件同轴等高，并对功率计清零。 ③旋转1/4波片使系统重新进入消光状态（1/4波片的光轴与起偏器的透振方向平行或垂直），此时1/4波片的角度记为φ0。 缓慢旋转检偏器一周，记录功率计出现的4个极值及与之相应的检偏器角度θ。 ④ 以φ0为基准沿同一方向旋转1/4波片，每旋转15°，先记录检偏器在初始位置θ0时功率计的示数，然后缓慢旋转检偏器一周，记录功率计出现的4个极值及与之相应的检偏器角度θ。 数据处理：分析得出1/4波片转动0°、30°、45°、60°、90°等时出射光的偏振状态，并讨论1/4波片对线偏振入射光偏振态的影响。
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
实 验 报 告 学生姓名： 学 号： 指导教师： 实验地点： 实验时间： 一、实验室名称：偏振光实验室 二、实验项目名称：偏振光实验 三、实验学时： 四、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与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。 （一）线偏振光的产生 1．非金属表面的反射和折射 光线斜射向非金属的光滑平面（如水、木头、玻璃等）时，反射光和折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物质的性质。当入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α与反射物质的折射率n 的关系是： n =αtan （1） 称为布如斯特定律，如图1所示。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。从空气入射到介质，一般起偏角在53度到58度之间。 非金属表面发射的线偏振光的振动方向总是垂直于入射面的；透射光是部分偏振光；使用多层玻璃组合成的玻璃堆，能得到很好的透射线偏振光，振动方向平行于入射面的。 图 1 图 2 2．偏振片 分子型号的偏振片是利用聚乙烯醇塑胶膜制成，它具有梳状长链形结构的分子，这些分子平行地排列在同一方向上。这种胶膜只允许垂直于分子排列方向的光振动通过，因而产生
线偏振光，如图2所示。分子型偏振片的有效起偏范围几乎可达到180度，用它可得到较宽的偏振光束，是常用的起偏元件。 图 3 鉴别光的偏振状态叫检偏，用作检偏的仪器叫或元件叫检偏器。偏振片也可作检偏器使用。自然光、部分偏振光和线偏振光通过偏振片时，在垂直光线传播方向的平面内旋转偏振片时，可观察到不同的现象，如图3所示，图中(α)表示旋转P ，光强不变，为自然光；（b ）表示旋转P ，无全暗位置，但光强变化，为部分偏振光；（c ）表示旋转P ，可找到全暗位置，为线偏振光。 （二）圆偏振光和椭圆偏振光的产生 线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，因而从晶片出射时会产生相位差 d n n e )(200 -= λπ δ （2） 式中0λ表示单色光在真空中的波长，o n 和e n 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1 (21)2 k δπ=+，k =0，1，2，…，这样的晶片称为1/4波片，其最小厚度为0 min 4() o e d n n λ= -。线偏振光通过1/4波片后，透射光一般是椭 圆偏振光；当α=π/4时，则为圆偏振光；当0=α或π/2时，椭圆偏振光退化为线偏振光。由此可知，1/4波片可将线偏振光变成椭圆偏振光或圆偏振光；反之，它也可将椭圆偏振光或圆偏振光变成线偏振光。 2．如果晶片的厚度使产生的相差πδ)12(+=k ，k =0，1，2，…，这样的晶片称为半波片，其最小厚度为0 min 2() o e d n n λ= -。如果入射线偏振光的振动面与半波片光轴的交角为 α，则通过半波片后的光仍为线偏振光，但其振动面相对于入射光的振动面转过α2角。 3． 如果晶片的厚度使产生的相差2k δπ=，k =1，2，3，…，这样的晶片称为全波片， 其最小厚度为0 min o e d n n λ= -。从该波片透射的光为线偏振光。
【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)： 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：?????????????????
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 ，。
篇一：电磁场与微波实验六报告——偏振实验 偏振实验 1. 实验原理 平面电磁波是横波，它的电场强度矢量e和波长的传播方向垂直。如果e在垂直于传播方向的平面内沿着一条固定的直线变化，这样的横电磁波称为线极化波，在光学中也称偏振波。电磁场沿某一方向的能量有sin2 φ的关系，这就是光学中的马吕斯定律：i=i0cos2 φ，式中i0为初始偏振光的强度，i为偏振光的强度，φ是i与i0之间的夹角。 2. 实验步骤 系统构建图 由于喇叭天线传输的是由矩形波导发出的te10波，电场的方向为与喇叭口天线相垂直的系列直线，中间最强。dh926b型微波分光仪的两喇叭天线口面互相平行，并与 地面垂直，其轴与偏振实验线在一条直线上。由于接收喇叭口天线是和一段旋转短波导 连在一起的，在旋转波导的轴承环的90度范围内，每隔5度有一刻度，所以接收喇叭天线的转角可从此处读到。 在主菜单页面点击“偏振实验”，单击“ok”进入“输入采集参数”界面。 本实验默认选取通道3作为光栅通道插座和数据采集仪的数据接口。采集点数可根据提示选取。 顺时针或逆时针（但只能沿一个方向）匀速转动微波分光仪的接收喇叭，就可以得到转角与接收指示的一组数据。 终止采集过程后，按下“计算结果”按钮，系统软件将本实验根据实际采集过程处理得到的理论和实际参数。 注意事项： ①为避免小平台的影响，最好将其取下。 ②实验用到了接收喇叭天线上的光栅通道（光传感头），应将该通道与数据采集仪通道3用电缆线连接。 ③转动接收喇叭天线时应注意不能使活动臂转动。 ④由于轴承环处的螺丝是松的，读取电压值时应注意，接收喇叭天线可能会不自觉偏离原来角度。最好每隔一定读数读取电压值时，将螺丝重新拧紧。 ⑤接收喇叭天线后的圆盘有缺口，实验过程中应注意别将该缺口转动经过光栅通道，否则在该处软件将读取不到数据。 3. 实验结果
偏振光现象的观察与分析 物理系，刘呈豪 一、引言 一八零九年，法国工程师马吕斯在实验中发现了光的偏振现象。对于光的偏振现象研究，使人们对光的传播的规律有了新的认识。特别是近年来利用光的偏振性所开发出来的各种偏振光元件、偏振光仪器和偏振光技术在现代科学技术中发挥了极其重要的作用，在光调制器、光开关、光学计量、应力分析、光信息处理、光通信、激光和光电子学器件等应用中，都大量使用偏振技术。 二、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，且都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： （1）自然光：在与光传播方向垂直的平面内，包含一切可能方向的横振动，即光波的电矢量在任一方向上具有相同的振幅。普通光源发光的是自然光。（2）线偏振光：在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持在同一平面内，这种光称为线偏振光（或平面偏振光)。 （3）部分偏振光：光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不等，在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，这种光称为部分偏振光。自然光和部分偏振光实际上是由许多振动方向不同的线偏振光组成。 （4）椭圆偏振光：在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动，且电矢量端点描出一个椭圆轨迹，这种光称为椭圆偏振光。 （5）圆偏振光：旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光的特殊情形。 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）反射和折射产生的偏振 根据布儒斯特定律，当自然光以i b =arctan n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，其反射光为完全线偏振光，振动面垂直于入射面， 而透射光为部分偏振光，i b 称为布儒斯特角。如果自然光以i b 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。玻璃片堆的数目越多，透射光的偏振度越高。 （2）偏振片 利用某些有机化合物晶体的“二向色性”制成。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
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。
偏振光实验数据处理分析 ——关于验证马吕斯定律的数据处理方法 一、 马吕斯定律： 1．一束光强度为的线偏振光，透过检偏器以后，透射光的光强度为α20cos I I = （1） 其中是线偏振光的光振动方向与检偏器透振方向间的夹角，该式称为马吕斯定律。 2．在光路中放入偏振片 作为起偏器，获得振动方向与 透振方向一致的线偏振光，线偏 振光的强度为入射自然光强度的 。 马吕斯定律光路图 3．在光路中放入偏振片，作为检偏器，其透振方向 与的夹角为，透过的光振 幅为 αcos A A 2 20 2 = （2） 式中为透过的线偏振光的振幅。因为 ，所以，光强度为α20cos I I = 这就是马吕斯定律，马吕斯定律说明了入射到偏振片上的线偏振光，其透射光强度的变化规律。 二、 简单实验过程 以He-Ne 激光作光源，用偏振片起偏和检偏，光电池接收，用电检流计量度光强的大小。实验从两偏振片方向（或称光轴）平行或垂直开始，记录光电流。测量时每转15记录一个数据，转180，取12个位置读数。 2 P 1 P
三、 数据处理 以角度为横坐标，光电流为纵坐标画图，并与余弦函数的平方值随着角度的变化关系比较 表1 将表1中角度θ和电流i 的数据输入，并通过工作表计算出2cosθ的值。打开Origin 数据处理软件，将含有原始数据的excel 工作表在Origin 数据处理软件中打开。 当图形窗口为当前窗口时，可以采用从菜单进行电流i 和cos 2θ的直线拟合，其拟合的函数为 Y=A+BX i 采用最小二乘法估计方程参数： B X -Y A = ∑ ∑ = N i 2 i N i i i X -X Y -Y X -X B ）（） ）（（ 对马吕斯定律的验证一般采用的方法是由实验得到的角度θ和电流i 的数据，进而用作图法得出cos 2θ和I 成正比的线性关系，如果cos 2θ与电流i 的线性关系良好，则说明马吕斯定律得以验证。然而学生用作图法验证马吕斯实验时，是用目测测试点分布而画出cos 2θ和电流i 之间的直线图，目测时测试点呈直线与否的界限难以确定，手工作图过程中也必然引入误差，以至于使实验中真正导致误差较大的原因容易被掩盖。同时，这种处理方法也使实验中产生的有规律性的误差被忽略，其结果往往达不到定量验证的目的。用Origin 数据分析软件依据最小二乘法原理进行实验数据处理，可由相关系数R 定量表示测试点的线性程度，达到定量验证物理规律的目的。由回归标准差SD 可得到实验误差。
偏振光实验报告 实验1. 验证马吕斯定律 实验原理：某些双折射晶体对于光振动垂直于光轴的线偏振光有强烈吸收，而对于光振动平行于光轴的线偏振光吸收很少(吸收o 光，通过e 光)，这种对线偏振光的强烈的选择吸收性质，叫做二向色性。具有二向色性的晶体叫做偏振片。 偏振片可作为起偏器。自然光通过偏振片后，变为振动面平行于偏振片光轴(透振方向)，强度为自然光一半的线偏振光。如图1、图2所示： 图1中靠近光源的偏振片1P 为起偏器，设经过1P 后线偏振光振幅为0A （图 2所示），光强为I 0。 2P 与1P 夹角为θ,因此经2P 后的线偏振光振幅为θcos 0A A =，光强为θθ20220cos cos I A I ==,此式为马吕斯定律。 实验数据及图形： P 1 P 2 线偏光 单色自然光 线偏光 图1 P 1 P 2 A 0 A 0cos θ θ 图2
从图形中可以看出符合余弦定理，数据正确。 实验2.半波片，1/4波片作用 实验原理：偏振光垂直通过波片以后，按其振动方向（或振动面）分解为寻常光（o 光）和非常光（e 光）。它们具有相同的振动频率和固定的相位差（同波晶片的厚度成正比），若将它们投影到同一方向，就能满足相干条件，实现偏振光的干涉。 分振动面的干涉装置如图3所示，M 和N 是两个偏振片，C 是波片，单色自然光通过M 变成线偏振光，线偏振光在波片C 中分解为o 光和e 光，最后投影在N 上，形成干涉。 考虑特殊情况，当M ⊥N 时，即两个偏振片的透振方向垂直时，出射光强为：)cos 1)(2(sin 420δθ-= ⊥I I ；当M ∥N 时，即两个偏振片的透振方向平行时，出射光强为：)cos cos sin 2cos sin 21(2 22220//δθθθθ+-=I I 。其中θ为波片光轴与M 透振方向的夹角，δ为o 光和e 光的总相位差（同波晶片的厚度成正比）。改变θ、δ中的任何一个都可以改变屏幕上的光强。 当δ=（2k+1）π（1/2波片）时，cos δ=-1，θ22sin 20I I =⊥，出射光强最大，2)21(sin 20//θ-=I I ，出射光强最小；当δ=[（2k+1）π]/2（1/4 波片）时，cos δ=0，)2(sin 420θI I =⊥,)2sin 2(4 20//θ-=I I 。 特别地，利用1/4波片我们还可以得到圆偏振光和椭圆偏振光。当θ=45度时，得到圆偏振光，此时让偏振片N 旋转一周，屏幕上光强不变。一般情况下，得到的是椭圆偏振光，让偏振片N 旋转一周，屏幕上的光斑“两明两暗”。 实验结果： 半波片实验数据表： M N 图3 分振动面干涉装置 I 0 波片 偏振片 偏振片 单色自然光
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
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
偏振 光的 研究 班级：物理实验班21 学号：2120909006 姓名：黄忠政 光的偏振现象是波动光学的一种重要现象，它的发现证实了光是横波，即光的振动垂直于它的传播方向。光的偏振性质在光学计量、光弹技术、薄膜技术等领域有着重要的应用。 一．实验目的： 1.了解产生和检验偏振光的原理和方法； 2.了解各种偏振片和波片的作用。 二．实验装置； 计算机，格兰陵镜，1/2、1/4波片，调节支架，光电接 系统，激光器。 三．实验原理： 1.偏振光的概念和基本规律
（1）偏振光的种类 光波是一种电磁波，根据电磁学理论，光波的矢量E、磁矢量H 和光的传播方向三者相互垂直，所以光是横波。通常人们用电矢量E 代表光的振动方向，而电矢量E和光的传播方向所构成的平面称为光波的振动面。 普通光源发出的光是由大量原子或分子的自发辐射所产生的，它们所发射的光的电矢量在各个方向振动的几率相同，称为自然光。电矢量的振动方向始终沿某一确定方向的光，称为线偏振光或平面偏振光。若电矢量在各个方向都振动，但在某个固定方向占绝对优势，这种光称为部分偏振光，电矢量的末端在垂直于光传播方向的任一平面内做椭圆（或圆）运动的光，称为椭圆（或圆）偏振光。各种偏振光的电矢量E如图1所示，注意光的传播方向垂直于纸面。 （2）偏振光、波片和偏振光的产生
通常的光源都是自然光，研究光的偏振性质，必须采用一些物理方法将自然光变成偏振光，这一转变过程称为起偏，获得线偏振光的器件称为起偏器。线偏振光可用人造偏振片获得，如：某些有机化合物晶体具有二向色性，用这些材料制成的偏振片，能吸收某一方向振动的光，与此方向垂直振动的光则能通过，从而产生线偏振光；还可以利用光的反射和折射起偏的平行玻璃片堆；利用晶体的双折射特性起偏的尼科尔棱镜等。 椭圆偏振光、圆偏振光可用波片来产生，将双折射晶体割成光轴与表面平行的晶片，就制成波片了。当波长为λ线偏振光垂直入射到厚度为d波片时，线偏振光在此波片中分成o光和e光， 二者的电矢量E分别垂直于和平行于光轴，它们的传播方向相同，但在波片中的传播速度v0、v e却不同。如图2所示。因此折射率n0=c/v0、n e=c/v e是不同的，于是，通过波片后，o光和e光的相位差ΔΦ和光程差δ分别为Δφ=2Π（n0-n e）/λ,δ=(n0-n e)d能产生光程差为λ
偏振光现象的观察和分析 摘要 本实验用半导体激光通过偏振片来产生线偏振光，使其分别通过1/4波片和1/2波片，通过测量不同方向上检偏器透过的光的强度，判断出出射光的偏振态。并证实了线偏振光通过1/4波片可以产生线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光，通过1/2波片可以产生线偏正光，验证了马吕斯定律。 一、引言 振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。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）。凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。偏振光的典型应用是偏光式3D 技术，其普遍用于商业影院和其它高端应用。 二、实验原理 1.偏振光的种类 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。 ~ 图1 电矢量垂直于纸面的偏振光 图2 电矢量平行于纸面振光【1】 光的五种偏振态：
① 线偏振光：在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持 在同一平面内， ② 部分偏振光：光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不 等。 ③ 自然光：光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅相等。 ④ 椭圆偏振光：在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作 旋转运动，若它们的频率相同并且有固定的位相差，则该点的合成振动的轨迹一般呈椭圆形。 ⑤ 圆偏振光：旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光 的特殊情形。 2.线偏振的产生 ~ （1）偏振片 利用某些有机化合物的“二向色性”制成，当自然光透过这种偏振片后，光矢量垂直于偏振片方向的分量几乎完全被吸收，而平行方向的分量几乎完全通过，因此透射光基本上为线偏振光。偏振片可以作为起偏器，也可以作为检偏器检验偏振光的偏振方向。 （2）双折射产生偏振 自然光入射到双折射晶体时，产生的寻常光(o 光)和非寻常光（e 光）都是线偏振光。 3.波晶片 即上述能发生双折射的晶体，又称波片。当光垂直入射到波片后，产生的o 光和e 光在波片中的传播方向一致而传播速度不同，因此导致它们产生了光程差 ，当波长为λ时，产生相位差， 其中d 为波片厚度，n e 与n o 是e 光与o 光的主折射率。对于某种单色光，能产 生相位差(21)2 k π δ=+的波片为1/4波片；能产生(21)k δπ=+的波片称为1/2波 片；能产生2k δπ=的波片称为全波片。 离开波片时合成波的偏振性质，确定于相位差δ和θ。线偏振光通过1/2波
偏振光的研究实验报告
偏 振 光 的 研 究 班级：物理实验班21 学号：2120909006 姓名：黄忠政
光的偏振现象是波动光学的一种重要现象，它的发现证实了光是横波，即光的振动垂直于它的传播方向。光的偏振性质在光学计量、光弹技术、薄膜技术等领域有着重要的应用。 一．实验目的： 1.了解产生和检验偏振光的原理和方法； 2.了解各种偏振片和波片的作用。 二．实验装置； 计算机，格兰陵镜，1/2、1/4波片，调节支架，光电接系统，激光器。 三．实验原理： 1.偏振光的概念和基本规律 （1）偏振光的种类 光波是一种电磁波，根据电磁学理论，光波的矢量E、磁矢量H和光的传播方向三者相互垂直，所以光是横波。通常人们用
电矢量E代表光的振动方向，而电矢量E和光的传播方向所构成的平面称为光波的振动面。 普通光源发出的光是由大量原子或分子的自发辐射所产生的，它们所发射的光的电矢量在各个方向振动的几率相同，称为自然光。电矢量的振动方向始终沿某一确定方向的光，称为线偏振光或平面偏振光。若电矢量在各个方向都振动，但在某个固定方向占绝对优势，这种光称为部分偏振光，电矢量的末端在垂直于光传播方向的任一平面内做椭圆（或圆）运动的光，称为椭圆（或圆）偏振光。各种偏振光的电矢量E如图1所示，注意光的传播方向垂直于纸面。 （2）偏振光、波片和偏振光的产生 通常的光源都是自然光，研究光的偏振性质，必须采用一些物理方法将自然光变成偏振光，这一转变过程称为起偏，获得线
偏振光的器件称为起偏器。线偏振光可用人造偏振片获得，如：某些有机化合物晶体具有二向色性，用这些材料制成的偏振片，能吸收某一方向振动的光，与此方向垂直振动的光则能通过，从而产生线偏振光；还可以利用光的反射和折射起偏的平行玻璃片堆；利用晶体的双折射特性起偏的尼科尔棱镜等。 椭圆偏振光、圆偏振光可用波片来产生，将双折射晶体割成光轴与表面平行的晶片，就制成波片了。当波长为λ线偏振光垂直入射到厚度为d波片时，线偏振光在此波片中分成o光和e 光， 二者的电矢量E分别垂直于和平行于光轴，它们的传播方向相同，但在波片中的传播速度v0、v e却不同。如图2所示。因此折射率n0=c/v0、n e=c/v e是不同的，于是，通过波片后，o光和e 光的相位差ΔΦ和光程差δ分别为Δφ=2Π（n0-n e）/λ,δ=(n0-n e)d能产生光程差为λ/2的波片称为λ/2波片（或半波