偏振光的分析研究(课题实验)

偏振光的研究(课题实验>

光的干涉和衍射现象说明了光的波动性，光的偏振现象则进一步证实光波是横波。光的偏振在光学计量、光弹技术、薄膜技术等领域有着重要的应用。

课前思考

1.线偏振光的产生

能够产生线偏振光的方法有哪些？设计相应的实验方法，画出光路图，列出所需实验

器材。

2.马吕斯定律

何为马吕斯定律？如何验证马吕斯定律？设计光路及操作步骤，列出所需实验器材，思考实验中可能存在哪些干扰因素？如何减少及避免其影响？

3.反射光与折射光的偏振特性

自然光入射两种介质界面时，反射光与折射光各有何偏振特性？何为布儒斯特定律？如何测定布儒斯特角？设计光路及操作步骤，列出所需实验器材，并思考如何通过反射光的偏振特性确定未知偏振方向偏振片的偏振化方向。

4.波片的性质及应用

何为波片？半波片和1/4波片各有何特性？波片对偏振光的作用有哪些？设计实验进行波片对偏振光作用的综合观察与鉴别，列出所需实验器材。

5.物质的旋光特性

什么是旋光现象？旋光物质有哪些？旋光特性有哪些实际应用？

6.半导体激光器的偏振特性

初步了解半导体激光器的工作原理，设计方案测量半导体激光器出射光的偏振度<光的偏振度：在部分偏振光的总强度中，完全偏振光所占的成分叫做偏振度。偏振度的数值愈接近1，光线的偏振化程度就越高。）

7.偏振光的干涉

偏振光的干涉现象是如何产生？偏振光的干涉有哪些实际应用？

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实验要求

课题任务1~2项为必做实验内容，其他课题任务为选做内容，请同学们根据课时内实验完成情况及兴趣择一项或多项选做内容进行研究。

本实验是定性半定量的实验，实验重在观察、分析、归纳、总结。实验报告中请用简洁的语言说明原理、实验方案，画出必要的实验装置光路示意图，记录观察的现象并加以解释、分析总结。

课题任务

1.光的偏振特性—验证马吕斯定律

利用现有仪器验证马吕斯定律，记录角度变化与对应功率值<测量范围0°—360°，每10°间隔测量），做出角度与功率关系曲线，并将实验值与理论值进行比较，计算其相对误差，对结果加以分析和评价。

注意：由于半导体激光具有偏振性，转动起偏器，观察其后的接收白屏，在光强相对较大时进行实验。建议光功率计探头光阑置于φ6 ，尽量使光束全部进入探头，并锁紧所有螺钉。

2.光的偏振特性—反射光的偏振特性

通过观察棱镜材料表面反射光的偏振特性，加深对其理解，测量出布儒斯特角，并确定偏振片的偏振方向，计算棱镜材料的折射率。

采用半导体激光器、偏振片、1/4波片、白屏、布儒斯特转角装置及光功率计。各实验器件放置应易于操作、便于观察，注意调节各光学器件等高同轴。

利用起偏器和1/4波片产生圆偏振光，其后放置布儒斯特转角装置及转接杆，在转接杆上放置检偏器及光探头，使光探头卡在杆上凹槽中，调节高度至激光射入探头光阑中。在光学转动平台上放置好棱镜，使光学表面穿过转动平台中心。转动平台，使棱镜表面垂直于入射光，记下此时转动平台的位置值。再次转动平台，利用转接杆用白屏追踪反射光斑，同时转动检偏器，仔细观察反射光的偏振态，测量光强变化情况，了解入射角与偏振态的关系，找到反射光为线偏振光时的位置，记下此时转动平台的位置值，

此时的入射角为布儒斯特角。

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3.物质的旋光特性

将旋光晶体置于已消光的起偏器与检偏器间，观察旋光现象，测出旋光率<对于晶

体而言，振动面旋转的角度ψ与晶片的厚度d成正比，即ψ=αd其中比例系数α称为该晶体的旋光率，它与入射光的波长有关）。

4.半导体激光器的偏振特性

通过偏振片观察半导体激光器的偏振特性，记录其功率最大值和最小值，以及所对应的角度，求出半导体激光的偏振度。

5.波片的性质及应用

a．1/4波片的作用：将方向未知的1/4波片的光轴方向定位，并利用已定位的1/4波片对偏振光进行综合观察与鉴别，加深对其性质及偏振光相关知识的理解。

采用半导体激光器、偏振器、1/4波片，调节光学器件的同轴等高。

将1/4波片置于已消光的起偏器与检偏器间，转动1/4波片一周观察消光位置，确定1/4波片光轴方向，改变1/4波片的光轴方向与起偏器的偏振方向之间的夹角a

表1 偏振光的综合观察与鉴别

b．1/2波片的作用：将方向未知的半波片的光轴方向定位，并利用已定位的半波片对偏振光进行观察，加深对其性质的理解。

实验室现已准备的设备及器件

光具座、半导体激光器<波长650nm）、偏振片两只<偏振方向未定位）、1/2波片<光轴方向未定位）、1/4波片<光轴方向未定位）、三棱镜、石英旋光晶体<厚度

d=3mm）、OPT-1A型激光功率计<含12档光阑探头）、光学转动平台及光学支架等。

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实验注意事项

1．注意光路的同轴等高调节。本实验中为了兼顾后续实验对光源的高度要求，开始调节时将光源高度尽可能调高。

2．注意光学器件的规范使用。使用光学元件应轻拿轻放，切勿用手触碰光学表面，使用完毕后应及时放回元件盒内对应位置。

3．使用激光光源时，切勿用眼睛直视激光！

学习参考指南

8.赵凯华《光学》<第一版），偏振，高等教育出版社。

9.马文蔚《物理学》下册<第五版），光的偏振性，高等教育出版社。

10.陆果《基础物理学》下卷，光的偏振，高等教育出版社。

11.郁道银、谈恒英《工程光学》<第二版），光的偏振和晶体光学基础，机械工业出版社。

附录1：激光功率计使用说明书

附录2：光学实验调节及仪器使用注意事项

附录3：历史背景

附录4：理论知识

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附录1：激光功率计使用说明书

OPT-1A型激光功率指示计是一种数字显示的光功率测量仪器，采用硅光电池作为光传感器，针对650nm波长的激光进行了标定，用于测量该波段的激光功率。如图：

1.表头：3位半数字表头，用于显示光强的大小。

2.量程选择钮：分为200uW、2mW、20mW、200mW四个标定量程和可调档；测量时尽量采用

合适的量程，如测得光强为1.732mW，则采用2mW量程。可调档显示的是光强相对值。

3.调零：调零时应遮断光源，旋动调零旋钮，使显示值为零。

4.12档光阑探头：该光探头在硅光电池前加上

一多结构光阑<圆孔直径为0.5、1.0、2.0、

3.0、

4.0、6.0mm，缝宽0.2、0.3、0.4、

0.8、1.2mm）。可用于光斑定位，光强分

布、光斑结构测量等，使用者根据实际测量

需要，采用相应的档位。

使用方法：

1.连接好激光探头和220v电源。打开后面板上的电源开关，数值表头亮。

2.将激光探头对准被测的激光束，使光束进入测量孔。

3.根据光功率的大小选择适当的量程。量程刻度上的值为该量程可测量的最大值，如

200μW是指该档最大测量200μW的激光功率，单位为微瓦，当光功率大于该档最大指示值时，表头溢出显示“1”。

4.仪器量程分为200μW、2mW、20mW、200mW和可调档5个量程。当波段开关打到

可调档时，连接的电位器可改变表头指示。该档主要用于测量相对值，即测量两束光的功率比值或光强分布等。

5.调零电位器用于调整仪器的零点。即在无光照时，应将仪器指示值调为“0”。

6.指示计后面板提供了一个半导体激光电源插座，可为相应的半导体激光器提供电源。

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附录2：光学实验调节及仪器使用注意事项

1. 注意光路的同轴等高调节，保证整个光路的光轴沿导轨中轴且高度相同。

a．调节激光输出光束沿中轴并平行于导轨面射出，当小孔屏沿导轨移动时，观察激光斑射在孔屏上的位置变化情况，通过调节激光器后相应旋钮，使激光斑能始终保持与小孔重合。

b．调节所用光学元件的光学面中轴高度相等，观察光束是否射到元件光学面中心，

对光学元件及夹具进行多维度调节；

c．调节光学元件共轴，依据光学原理，通过观察各光学元件的反射或透射光点的位

置，通过分析、判断逐步加以调节。

2. 注意光学器件的规范使用。

a.使用光学元件应轻拿轻放，使用完毕后应及时放回元件盒内对应位置。

b.使用光学元件时，切勿用手触碰光学表面。当光学表面不够清洁等而影响实验

进

行时，同学切记不要自行处理，请及时报告老师，由老师或在老师的指导下规范的进行清洁工作，避免操作不当造成元件的人为损坏。

c. 使用激光光源时，切勿用眼睛直视激光！避免灼伤眼睛！

附录3：历史背景

1809年，法国物理学家及军事工程师马吕斯

1811年，苏格兰物理学家布儒斯特

法国物理学家及天文学家阿拉果

1816年，布儒斯特发现玻璃变形会产生光的双折射现象，成为光测弹性学的开端。

1817年，英国医生和物理学家托马斯·杨

1818年，法国土木工程师、物理学家菲涅耳

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二十世纪60年代起，伴随着激光、光纤的诞生及发展，光的偏振技术不但在测定机械构件的应力分布、测定晶轴方位、测定糖溶液的浓度方面得到应用，在光电子工程、光波导技术、光信息工程等技术领域应用愈加广泛，应用范围已涉及与光学技术有关的几乎所有学科领域。

附录4：理论知识

光的偏振

1 光的横波性

1809年马吕斯在实验上就发现了光的偏振现象。但直到光的电磁理论建立后，光的横波性才得以完满的说明。在自由空间传播的光波是一种纯粹的横波，光波中沿横向振动着的物理量是电场矢量和磁场矢量，鉴于在光和物质的相互作用过程中主要是光波中的电矢量起作用，所以人们常以电矢量作为光波中振动矢量的代表。

2 偏振光

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二维空间里电矢量还可能各式各样的振动状态，我们称之为光的偏振态。实际中最常见的光的偏振态大体可分为五种，即自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。

2.1自然光

普通光源发出的光是大量原子或分子独立的随机自发辐射的平均效果，各原子或分子发出的光波不仅初位相彼此无关联，它们的振动方向也是杂乱无章的。因此宏观看起来，入射光中包含了所有方向的横振动，而平均说来它们对于光的传播方向形成轴对称分布，哪个横方向也不比其它横方向更为突出。具有这种特点的光叫做自然光。

2.2部分偏振光

经常遇到的光，除了自然光和线偏振光外，一种偏振状态介于两者之间的光。如果用检偏器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）。具有这种特点的光，叫做部分偏振光。通常用偏振度P来衡量部分偏振光程度的大小，它定义为

P=

这里分母I极大+I极小实际是两个相互垂直分量的强度之和，即部分偏振光。线偏振光是偏振度最大的光。

2.3线偏振光

透过偏振片的光线中只剩下了与其透光方向平行的振动。这种只包含单一振动方向光叫做线偏振光。线偏振光中振动方向与传播方向构成的平面，叫做偏振面。偏振片用来产生线偏振光，我们叫它起偏器。偏振片用来检验线偏振光，叫做检偏器。

I=I0Cos2θθ为偏振面夹角

线偏振光通过检偏器后透射光强度随θ角变化的规律，叫做马吕斯定律。

2.4圆偏振光

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如果一束光的电矢量在波面内运动的特点是其瞬时值的大小不变，方向以角速度ω<即

波的圆频率）匀速旋转，换句话说，电矢量的端点描绘的轨道为一圆，这种光叫做圆偏

振光。垂直振动的合成理论告诉我们，两个相互垂直的简谐振动，当它们的振幅相等，

位相差±π/2时，其合成运动是一个旋转矢量，所以圆偏振光可看成是两个相互垂直的

线偏振光的合成，而分量应写成

Ex = Acosωt

Ey = Acos(ωt±π/2>

如果迎着圆偏振光的传播方向放一偏振片，并旋转其透光方向以观察透射光强的变

化，我们会发现光强不发生变化。

2.5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，称为椭圆偏振光。椭圆运动也可看成

是两个相互垂直的简谐振动的合成，只是它们的振幅不等，或位相差不等于±π/2。而分

量可写成

Ex = Acosωt

Ey = Acos(ωt±δ>δ为位相差

如果迎着椭圆偏振光的传播方向放一偏振片，并旋转其透光方向以观察透射光强的变

化，我们会发现其光强变化特点类似部分偏振光，即强度每转90o也交替出现极大和极

小，但无消光位置。

3 反射、折射光的偏振特性

自然光入射到折射率两种介质的界面上时，反射光和折射光都是部分偏振光。特别是当以布儒斯特角入射时，反射光为线偏振光，其振动面垂直于入射面。因此，可以利用自然光以布儒斯特角入射到电介质表面<如玻璃等）产生线偏振光，可以利用平行玻璃片堆同时获得反射和透射的线偏振光。入射光在空气与介质界面的反射、折射光路图示如下：

根据麦克斯韦的电磁理论和边值条件，我们可以推导如下关系：

E’P = tan(I1-I2> E P/tan(I1+I2>

E’S = sin(I1-I2>E S/sin(I1+I2>

其中 E’P为偏振面平行于入射面的反射光电矢量，E P为偏振面平行于入射面的入射光电矢量，E’S为偏振面垂直于入射面的反射光电矢量，E S为偏振面垂直于入射面的入射光电矢量。

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分析上式我们发现，由于tan90o =∞，E’P可能为0，即在I1+I2=90 o时，反射光中可能不含平行

分量，不管入射光是什么状态，反射光都是线偏振光。

由折射定律： sin I1 = n sin I2 和I1+I2=90 o

得到tan I1= n 时，反射光是线偏振光。这就是布儒斯特定律，此时的入射角I1我们称为布儒斯

特角，它的大小由材料的折射率决定。

4 双折射及波片

具有双折射现象的材料有这样一种光学特性：及当一束光进入这种材料时可能会分成两束，

这两束光的传播方向、振动方向和速度将有所不同，一束符合我们所知道的折射定律，如垂直入

射时光束方向不变，但另一束却不符合这个规律。我们分别将这两束光称为O光和E光，对应的折射率分别为n o和n e。在这种晶体中还存在一个特定的方向，当光从这个方向上进入材料时不会分成两束，符合一般的折射定律，这个特殊的方向就是材料的光轴方向。

波片是一种将具有双折射现象的材料<如方解石晶体，石英晶体等）按一定技术要求加工而

成的光学元件。波片在加工时，使通光表面平行于光轴，即入射光将垂直于光轴进入波片。

现在假设一束线偏振光以偏振方向同波片光轴成θ角的状态垂直入射于波片。这时会发生一种比较特殊的双折射现象，即O光和E光传播方向相同，但传播速度不同，或者说o光和e光在波片中的折射率不同，透过波片之后两者之间产生一定的位相差。波片产生的位相差和光程差分别为

Δφ=2π(n o?n e> d /λ，δ=(n o?n e>d，

d为波片的厚度，n o、n e分别为波片对o光和e光的折射率。对于某一波长，选择不同的厚度

可得到不同的波片：

δ=±(2k+1> λ/2时，为λ/ 2波片，

δ=±(2k+1> λ/4时，为λ/ 4波片，

δ=±kλ(k≠0>时，为全波片。

5 偏振光的产生和检验

5.1 偏振光的获得

自然界的大多数光源所发出的是自然光。为了从自然光得到各种偏振光，需要采用

偏振器件。偏振片、玻片堆和尼科耳棱镜等都可以用作起偏器，自然光通过这些起偏器

后就变成了线偏振光。偏振片常用具二向色性的晶体制成，这些晶体对不同方向的电磁

振动具有选择吸收的性质，当光线射在晶体的表面上时，振动的电矢量与光轴平行时吸

收得较少，光可以较多地通过；电矢量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得很少。通

常的偏振片是在拉伸了的塞璐璐基片上蒸镀一层硫酸碘奎宁的晶粒，基片的应力可以使

晶粒的光轴定向排列起来，这样可得到面积很大的偏振片。

为了得到椭圆偏振光，使自然光通过一个起偏器和一个波片即可。由起偏器出射偏

振光正入射到波片中去时，只要其振动方向不与波片的光轴平行或垂直，就会分解成0

光和e光，穿过波片时在它们之间就有一定的附加相位差δ。射出波片之后，传播方向

相同的这两束光的速度恢复到一样，它们在一起一般是合成椭圆偏振光。只有当这两面

束光之间的相位差等于±π/2，且振幅相同时，才有可能得到圆偏振光。

换言之，令一束线偏振光垂直通过一波片，一般我们得到一束椭圆偏振光；只有通过1/4

波片，且波片的光轴与入射光的振动面成对45°角时，我们才能得到一束圆偏振光。

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5.2偏振光的检验

假定入射光有以下五种可能性，即自然光，部分偏光，线偏振光，圆偏振光和椭圆偏振光。检验偏振光的方法是:

第一步，利用一块偏振片或其它检偏器，在旋转一周时透过检偏器的光强不变，则可以断定入射光是自然光或圆偏振光；否则就是部分偏振光或椭圆偏振光。

第二步, 为了鉴别自然光和圆偏振光。可以令入射光依次通过1/4波片和偏振片，圆偏振光经波片后变成了线偏振光，于是通过转动偏振片有无消光现象而鉴别出来。为了鉴别部分偏振光的和椭圆偏振光，则必须设法让1/4波片的光轴与椭圆主轴平行，只有这样才能使椭圆偏振光经过波片后变成为线偏振光而将它鉴别出来。

6 偏振光的干涉

6.1 偏振光的干涉现象

线偏振光垂直通过波片时，按其振动方向<或振动面）分解成o光和e光，它们具有相同的振动频率，以恒定的相位差在同一方向上传播。只要设法将它们的振动方向引到同一方向上来，就能满足相干条件，从而实现偏振光的干涉，与分波前干涉和分振幅干涉相比，它是分振动面干涉，波片是分振动面元件。将波片置于两偏振片间，可以观察到以下各种干涉现象：

1.当波片厚度均匀，用单色光源时，转动任一元件，屏上的光强会发生变化。用白光源时屏上出现彩色图样，并随元件转动颜色发生变化。

2.当波片不均匀，用单色光源时屏上出现干涉图样；用白色光源屏上出现彩色图样。

3.当波片用透明塑料代替时，对塑料加应力后屏上会出现随应力大小变化的明暗或彩色干涉图样。

6.2 光弹效应和电光效应

1.光弹效应

在内应力或外来的机械应力作用下，可以使透明的各向同性的介质<例如玻璃和塑料等）变为各向异性的，从而使光产生双折射，这种现象称为光弹效应。在这种应力作用下的透明介质中，

2.电光效应

在外加电场的作用下，也可以使用某些各向同性的透明介质变为各向异性的，从而使光产生双折射，这种现象称为电光效应。

一种电光效应称为克尔效应，是克尔

1893年，泡克耳斯

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由状态下是单轴晶体，但在电场作用下变成了双轴晶体，沿原来光轴的方向产生附加的双折射效应。由于克尔盒中的硝基苯液体有毒，且携带不便，对它的纯度要求又很高，因此近年来克尔盒已逐渐为KDP晶体所代替。特别是激光的出现，大大促进了电光晶体的研制。在近代光学技术中常用的电光晶体，除KDP晶体外，还有砷化镓

7 旋光现象

7.1 晶体和溶液的旋光性

在普通的单轴晶体<如方解石）中，光线沿光轴传播时不发生双折射，这时o光和e的传播方向和波速都一样。因此，如果我们在这种晶体内垂直于光轴切割出一块平行平面晶片，并将它插在一对正交的偏振片之间，则从偏振片I透出来的线偏振光经过此晶片时偏振状态没有改变，在偏振片II之后仍然消光。但是，在用石英晶体代替方解石做上述实验时发现，要使偏振片II之后消光，必须将偏振片II的透振方向向左或向右旋转一个角度ψ。上述现象表明，线偏振光在通过这些物质后，它的振动发生了旋转，这种现象称为旋光现象。某些物质具有能使线偏振光的振动面发生旋转的性质，称为旋光性(optical activity）。这些具有旋光性的物质，称为旋光物质。对于晶体而言，振动面旋转的角度ψ与晶片的厚度d成正比，即

ψ=αd

其中比例系数α称为该晶体的旋光率

ψ=αˊCd

其中比例系数αˊ称为该溶液的比旋光率。溶液的旋光性在制糖、制药和化工等方面很有用，例如测定糖溶液浓度的糖量计，就是根据糖溶液的旋光性而设计的一种仪器。可以在一定的温度和波长下事先测得比旋率αˊ，然后再测出未知浓度溶液使振动面偏转的角度ψ，即可利用上确定其浓度。

7.2磁致旋光

正如用应力和电场等人工方法可以产生双折射一样，用人工方法也可以产生旋光性，其中最重要的是磁致旋光，常称为法拉第旋转，它是法拉第在1846年发现的。实验表明，对于给定的磁性介质，光的振动面的转角ψ与样品的长度l和外加磁场的磁感应强度B 成正比，即

ψ=VlB

比例系数V称为费尔德常量，一般它都很小。利用这一特点可以制成光隔离器，即只允许光从一个方向通过，而不能从反方向通过的光阀门。这在激光的多级放大装置中往往是必要的，因为光学放大系统中有许多界面，它们都会把一部分光反射回去，这对前级的装置会造成干扰和损害，装了光隔离器就可以避免这一点。

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1.赵凯华《光学》<第一版），偏振，高等教育出版社。

2.马文蔚《物理学》下册<第五版），光的偏振性，高等教育出版社。

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大学物理实验报告系列之偏振光的分析

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~~实验报告

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

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。

偏振光实验报告

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。

实验报告_偏振光的产生和检验 (2)

【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：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

偏振光的观察与研究

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 ，。

微波偏振实验报告

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

(参考资料)偏振光现象的观察与分析

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

偏振光实验数据处理分析

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。

偏振光的研究实验报告doc

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

偏振光实验报告

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。

偏振光实验报告

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

9偏振光的观察与研究11

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

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

实验报告偏振光学实验

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

偏振光现象的观察和分析

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