偏振光的定量分析

利用光学仪器观察光的偏振现象光是一种电磁波，通常被描述为电场和磁场的正交振动。

而光的偏振现象是指光波中电矢量在特定方向上振动的现象。

为了观察和研究光的偏振现象，科学家们发展了各种光学仪器。

本文将介绍几种常用的光学仪器，以及利用这些仪器观察和分析光的偏振现象的方法。

一、偏振片偏振片是用于观察和控制光的偏振状态的最基本工具之一。

它通过一个特殊的材料制成，能够选择性地允许某个偏振方向的光通过，而阻挡其他方向的光。

常见的偏振片有线性偏振片和圆偏振片两种。

1. 线性偏振片线性偏振片是最常见的偏振片类型，它只允许一个特定方向上的光通过。

在观察光的偏振现象时，可以使用两个线性偏振片叠加的方法。

首先，将两个线性偏振片相互垂直放置。

当没有光通过时，两个偏振方向相互垂直，光无法通过。

接下来，逐渐旋转其中一个偏振片，可以观察到从完全暗到逐渐亮起的变化。

当两个偏振片的偏振方向重合时，光通过的强度最大；当两个偏振片的偏振方向相互垂直时，光无法通过。

通过这种方法，可以定量测量光的偏振方向，并观察不同偏振状态下的光强变化。

2. 圆偏振片圆偏振片是一种特殊的偏振片，它能够将线偏振光转化为圆偏振光，进而改变光的偏振状态。

观察光的偏振现象时，可以将圆偏振片与待观察光源或其他偏振片相结合。

将圆偏振片与线偏振片叠加时，可以观察到逐渐改变的亮度和颜色。

这是因为圆偏振片将线偏振光转化为左旋或右旋的圆偏振光，而线偏振片只允许一个特定方向上的光通过。

通过分析观察到的颜色和亮度变化，可以推断出光的偏振状态。

二、偏振显微镜偏振显微镜是一种专门用于观察偏振光的光学仪器。

它结合了具有特殊功能的偏振片和显微镜系统，能够观察到物质的光学性质和结构。

使用偏振显微镜观察光的偏振现象时，可以通过旋转偏振片和分析样品的偏振特性来观察和测量样品的光学性质。

首先，将物质样品放置在显微镜的样品平台上。

然后，通过旋转偏振片调整偏振方向，观察样品光的强度和颜色的变化。

不同样品对偏振光的旋转能力和吸收性有不同的响应，通过观察这些变化，可以推断出样品的光学性质和结构。

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 A2202=（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。

2P 1P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 =∑∑=Ni2i Ni 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。

偏振光的定量研究【实验目的】（1）观察光的偏振现象，掌握光偏振的基本规律；（2）掌握椭圆偏振光的产生和检验方法；（3）学会分析实验曲线与理论曲线之间的误差来源；【仪器用具】光学防震平台，氦氖激光器及其电源，激光功率计，偏振片，1/4波片【原理简介】光的偏振现象显示了光的横波性。

光波是一种电磁波，在光与物质相互作用时，主要起作用的是横向振动着的电矢量或光矢量，而振动方向对传播方向的不对称性构成光的各种偏振态。

（一）光的五种偏振态光的偏振态通常分为自然光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光五种。

自然光和部分偏振光二者均由大量取向各异、彼此无相位关联的线偏振光组成，只不过自然光的光矢量相对于光的传播方向具有对称性，部分偏振光不具备轴对称性，而存在某一优势方向。

线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光均可以等效为振动方向相互垂直、相互关联的两个线偏振光，这两个线偏振光具有相同的传播方向和频率，两者有确定的相位差。

cos cos x x y y E A t kz E A t kz ωωδ=−=−（）（）+ （1）当（δ= 0，π）时，上式描述的是线偏振光；当（δ= ±π/2，A x = A y ）时，为圆偏振光；当（δ= ±π/2，A x ≠ A y ）时，为正椭圆偏振光；当（δ≠ ±π/2，A x ≠ A y ）时，为各种取向的斜椭圆偏振光；（二）通过检偏器后的透射光强人眼仅对光的强弱变化敏感，而无法直接感知光的各种偏振态，必须借助检偏器，研究透射光强的变化来判定光的偏振态。

检偏器（或起偏器）是一种只允许某一振动方向光通过的光学器件，当它用来产生线偏振光时称为起偏器，用来检验线偏振光时称为检偏器。

常用的检偏器有两类：一类是利用材料对不同方向的电磁振动具有选择吸收特性的原理制成的，称为偏振片；另一类是用双折射晶体制成的特殊棱镜，如尼科尔棱镜、格兰棱镜等，这类棱镜的透光率和偏振度远高于偏振片，在检偏器上能够让电矢量充分透过的方向称为透振方向记作P，与P 正交的方向上的电矢量将被强烈吸收而无法透过，称为消光方向。

偏振光分析 (测量实验)一、实验目的观察光的偏振现象，分析偏振光，起偏，定光轴二、实验原理（一）偏振光的基本概念光是电磁波，它的电矢量E 和磁矢量H 相互垂直，且均垂直于光的传播方向c ，通常用电矢量E 代表代表光的振动方向，并将电矢量E 和光的传播方向c 所构成的平面称为光振动面。

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，如附图15（a ）。

光源发射的光是由大量原子或分子辐射构成的。

由于大量原子或分子的热运动和辐射的随机性，它们所发射的光的振动面，出现在各个方面的几率是相同的。

故这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光附图15（b ）。

在发光过程中，有些光的振动面在某个特定方向上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上较强，这种的光称为部分偏振光，如图附图15（c ）所示，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律的变化，而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。

这种光称为椭圆偏振光或圆偏振光。

附图15（a ） 附图15（b ） 附图15（c ）（二）获得偏振光的常用方法将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏，起偏的装置称为起偏器。

常用的起偏装置主要有：1、反射起偏器（或透射起偏器）当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。

当入射角达到某一特定值b ϕ时，反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于入射面（见附图16）而角b ϕ就是布儒斯特角，也称为起偏振角，由布儒斯特定律得21/b tg n n ϕ=例如，当光由空气射向n=1.54的玻璃板时，b ϕ=57度若入射光以起偏振角b ϕ射到多层平行玻璃片上，经过多次反射最后透射出来的光也就接近于线偏振光，其振动面平行于人射面。

由多层玻璃片组成的这种透射起偏振器又称为玻璃片堆。

见附图17。

附图16附图17附图182、晶体起偏器利用某些晶体的双折射现象来获得线偏振光，如尼科尔棱镜等。

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 1E x2 A x2+ E y2A y22 E x2 E y2A x2A y2cos?φ=sin2?φ（4）注意对于线偏振光通过波⽚的情况?φ取决于o光和e光⼊射时的相位差和由波晶⽚引起的相位差δ之和；⽽ E X为线偏振光振幅E在o轴的分量， E y为e轴的分量。

从上⾯垂直振动合成的⼀般情况出发可以得出以下结论：（1）线偏振光的振动⽅向与波⽚的光轴夹⾓为θ或π/2，或者通过1/2波⽚仍为线偏振光。

偏振光的检定原理偏振光的检定原理是指通过一系列的实验和测量，确定光的偏振状态的方法。

偏振光是指在一个特定方向上振动的光，可以通过偏振片使非偏振光变为偏振光。

在偏振光的检定中，常用的方法有偏振片法、波片法、马吕斯定律等。

下面将分别介绍这些方法。

首先是偏振片法。

偏振片是一个能够选择性透过或阻挡某一方向偏振光的光学器件。

当光通过偏振片时，只有与偏振片相同方向的偏振光能够透过，其余方向的光都会被阻挡。

因此，通过观察通过偏振片后的光强度变化，可确定光的偏振状态。

例如，可以将一个偏振片置于一个未知偏振光的路径上，逐渐旋转偏振片，观察光的透射强度的变化。

当偏振片的光透射强度最小时，表示未知光与偏振片的方向垂直，即垂直偏振光；当透射强度最大时，表示未知光与偏振片的方向平行，即平行偏振光。

其次是波片法。

波片是具有特定相位差的透明光学元件，通过改变光的相位差来确定光的偏振状态。

常用的波片有1/4波片和1/2波片。

当未知偏振光经过一个1/4波片时，如果光与1/4波片的振动方向平行，则光变为右旋圆偏振，如果光与1/4波片的振动方向垂直，则光变为左旋圆偏振。

当未知偏振光经过一个1/2波片时，如果光与1/2波片的振动方向平行，则光变为线偏振，如果光与1/2波片的振动方向垂直，则光消失。

最后是马吕斯定律。

马吕斯定律是通过观察光在不同角度下的反射和折射现象来确定光的偏振状态。

根据这一定律，当平面入射光与介质表面呈一定角度时，会发生完全反射，此时反射光是线偏振光。

通过观察反射光的偏振状态，可以确定入射光的偏振状态。

综上所述，偏振光的检定可以通过偏振片法、波片法和马吕斯定律等方法实现。

这些方法利用了光在不同偏振状态下的光强度、相位差和反射等特性，通过实验和测量来确定光的偏振状态。

这些方法在光学工程、材料科学、光通信等领域都有着重要的应用价值。

实验十一偏振现象的观察与分析光波是电磁波，其电矢量的振动方向垂直于传播方向，是横波．由于普通光源各原子分子发光的随机和无序性，光波电矢量的分布（方向和大小）对传播方向来说是对称的，反应不出横波特点，这种光称为自然光．如果限制了某振动方向的光而使光线的电矢量分布对其传播方向不再对称时，这种光称为偏振光．对于偏振现象的研究在光学发展史中有很重要的地位，光的偏振使人们对光的传播（反射、折射、吸收和散射）规律有了更透彻的认识，本实验将对光偏振的基本性质进行观察、分析和研究．·实验目的1.观察光的偏振现象，掌握产生和检验偏振光的原理和方法，学会确定偏振片的透振方向，验证马吕斯定律；2．用反射起偏法测量平面玻璃的布儒斯特角，求得玻璃的折射率；3．了解λ/4波片、λ/2波片的工作原理和作用（任选其中部分内容）；·实验仪器光具座，He—Ne激光器，光点检流计，光电转换装置，GPS-Ⅱ型偏振光实验仪（包括偏振片×2，λ/4波片×2，λ/2波片×2，背面涂黑的玻璃片及刻度支架，小孔光阑，白屏）．图1 实验仪器（重拍）偏振片及刻度旋转装置：由直径为2cm的偏振片固定在转盘上制成，转盘上指针的位置不一定是偏振片的透振方向．波片及刻度旋转装置：由直径为2cm的波片固定在转盘上制成，转盘上指针的位置不一定是波片的快轴或慢轴的位置．·实验原理从自然光获得偏振光的办法有3种，即利用二向色性的材料制作的偏振片；利用晶体的双折射性质做成的偏振棱镜；利用光学各向同性的两介质分界面上的反射和折射．本实验中所用的偏振片是利用二向色性的材料制作的．一、起偏、检偏与马吕斯定律将自然光变成偏振光的过程称为起偏，检查偏振光的装置称为检偏．按照马吕斯定律，强度为I 0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为：20cos I I θ= （12-1）式中I 0为入射线偏光的光强，θ为入射光偏振方向与检偏器透振轴之间的夹角．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θ=00时，透射光强度最大；当θ=090时，透射光强度最小（消光状态）；当00<θ<090时，透射光强度介于最大值和最小之间．因此，根据透射光强度变化的情况，可以区别光的不同偏振状态．实验中让入射光共轴依次通过两个偏振片，旋转检偏器，读出不同θ角下出射光的强度，验证马吕斯定律．二、布儒斯特定律和反射光的偏振当自然光在空气中以某角度入射至折射率为n 的透明介质表面时，若反射线与折射线垂直，则其反射光为完全的线偏振光，振动方向垂直于入射面；而透射光为部分偏振光．此规律称为布儒斯特定律，入射角称为布儒斯特角，如图11-2所示．arctgn i b = （12-2）实验中可通过用振动方向垂直于入射面的线偏光入射，再用检偏器检查反射光是否消光来确定布儒斯特角，求出玻璃材料的折射率n.图11-2 布儒斯特定律示意图三、λ/4波片与λ/2波片波片是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，其表面平行于光轴．当一束单色平行自然光正入射到波片上时，光在晶体内部便分解为o 光与e 光．o 光电矢量垂直于光轴；e 光电矢量平行于光轴．而o 光和e 光的传播方向不变，仍都与表面垂直．但o 光在晶体内的速度为0v ，e 光的为e v ，即相应的折射率0n 、e n 不同．设晶片的厚度为l ，则两束光通过晶体后就有位相差()r n n e o -=∆λπϕ2 （12-3）()l n n e -=0λπσ （12-4）式中λ为光波在真空中的波长．πσk 2=的晶片，称为全波片；ππσ±=k 2的称为半波片（λ/2波片）；22ππσ±=k 为λ/4片，上面的k 都是任意整数．不论全波片，半波片或λ/4片都是对一定波长而言．在直角坐标系下，以e 光振动方向为横轴，o 光振动方向为纵轴，则沿任意方向振动的平行光，正入射到波片的表面后，其振动便按此坐标系分解为e 分量和o 分量．透过晶片，二者间产生一附加位相差σ，离开晶片时合成光波的偏振性质，决定于σ及入射光的性质．1.偏振态不变的情形：（1）自然光通过任何波片，仍为自然光；（2）若入射光为线偏振光，其电矢量E 平行e 轴（或o 轴），则任何波长片对它都不起作用，出射光仍为原来的线偏振光．2.λ/2波片与偏振光（1）若入射光为线偏振光，且振动方向与晶片光轴成θ角，则经λ/2玻片出射的光仍为线偏振光，但与光轴成负θ角．即线偏振光经λ/2片电矢量振动方向转过了2θ角．（2）若入射光为椭圆偏振光，则经λ/2玻片后，既改变椭圆长（短）轴的取向，也改变椭圆的旋转方向；若入射光为圆偏振光，出射的只是改变了旋转方向的圆偏振光．3.λ/4波片与偏振光（1）若入射光为线偏振光，当θ角为450时，经λ/4波片后的出射光为圆偏振光，其余情况下为椭圆偏振光；（2）若入射光为圆偏振光，则出射光为线偏振光；（3）若入射光为椭圆偏振光，则出射光一般仍为椭圆偏振光，（详见利萨如图11-3）．π2图11-3 同频率、振动方向垂直的两振动合成的利萨如图·实验内容与步骤1．定偏振片光轴：把两个偏振片插入光具座，接入光电转换装置及光点检流计，调至共轴．旋转第二个偏振片，使光屏显示消光，此即表示起偏器的透振轴与检偏器的透振轴相互垂直．再从θ=00开始到900每隔100读一个光电流值，用坐标纸作图验证（12-1）式马吕斯定律．2．测量玻璃板的布儒斯特角，求得玻璃的折射率：在上述1的基础上，撤掉检偏器，将装有底座的待测玻璃片插入光具座，共轴调节后，使玻璃板的法线方向与入射光线重合，记录指针的位置．旋转玻璃片所在的平面，用白板跟踪接收反射光．当入射角在某个特定角附近，仔细旋转起偏器，观察接收屏上光强变化，当光强最小时固定起偏器，再微旋玻璃片的方位，找到光强最弱位置；重复上述调整至消光，此时读出光线对玻璃片的入射角即为玻璃板的布儒斯特角；测量5次，根据（12-2）式计算玻璃的折射率．且与标称值作比较，计算标准偏差．3．考察平面偏振光通过λ/2、λ/4波片时的现象：（选做）（1）在两块偏振片之间插入λ/2波片，旋转检偏器一周，观察消光的次数并解释这现象．（2）将λ/2波片转任意角度，这时消光现象被破坏．把检偏器转动一周，观察发生的现象并作出解释．（3）仍使起偏器和检偏器处于正交（即处于消光现象时），插入λ/2波片，使消光，再将转150，破坏其消光．转动检偏器至消光位置，并记录检偏器所转动的角度．（4）继续将λ/2波片转150（即总转动角为30度），记录检偏器达到消光所转总角度．依次使λ/2波片总转角为450，600，750，900，分别记录检偏器消光时所转过的角度．（5）使起偏器和检偏器正交，中间插入λ/4波片，转动λ/4波片使消光．再将λ/4波片转动150，300，450，600，读出相应的光电流，并分析这时从λ/4波片出来光的偏振状态．3.平面偏振光通过λ/2波片时的现象4.平面偏振光通过λ/4波片时的现象1．仔细阅读偏振光实验指导及操作说明书，操作中注意首先做“消除暗电流记录”的测试前准备；每步实验前在光具座上用小孔屏调整光路共轴；2．检测光电流时必须确认表针基本停稳后才可以读数（或指针波动大时估读中间值）．偏振光最普遍的来源之一是自然光经电介质表面反射这个无所不在的物理过程．人类生活中来自玻璃、水面等所有表面的反射光和散射光，一般都是部分偏振光．这个规律是马吕斯在1808年开始研究的．巴黎科学院悬赏征求双折射的数学理论，马吕斯就着手研究这个问题．一天傍晚，他站在家中的窗户旁边研究方解石晶体．当时夕阳西照，夕阳从离他家不远的卢森堡宫的窗户上反射到他这里来．他拿起了方解石晶体，通过它观察反射来的太阳的像．使他感到意外的是当转动方解石晶体时，双像中的一个像消失了．太阳下山之后，夜里他继续观察从水面上和玻璃面上反射回来的烛光来核实他的实验．≈56°时消光效果最显著．但在近用一支蜡烛和一片玻璃试一试，把玻璃放在θP掠入射时，两个像都很明亮，无论怎样转动晶体，哪个像都不会消失．马吕斯显然很幸运，站在对着宫殿窗户的一个恰当的角度上．致使他发现了偏振光的规律．普通非晶体材料受到应力时变成各向异性，有双折射．用偏振光的干涉条纹分布的疏密和走向来确定材料的内应力大小．电光开关是指电场使某些各向透明的介质变为各向异性，使光产生双折射，称kerr effect，用电信号控制光信号．光电偏振研究在光调制器、光开关、光学计量、光信息处理、光通信、激光和光电子学器件、晶体性质研究和实验应力分析等技术中有广泛的应用．中学物理课标对偏振及相关内容的要求是：1.通过实验认识光的干涉、衍射、偏振现象以及在生活、生产中的应用；2.用偏振片观察玻璃面反射光、天空散射光的偏振现象；3.用偏振片鉴别普通玻璃和天然水晶，探究这种技术的物理原理．本实验的构思亮点：因为不加布儒斯特窗的半导体激光器发出的光其振动方向与自然光相似，细光束的传播方向集中，使实验操作极大简化，物理思路更加清晰；光具座上可供选择的内容开放，可增加学生的动手动脑兴趣．（零点测量法）操作难点：微电流读数受环境和仪器的影响因素较多，难以准确读数，偏振元件旋转角度最小分度1°，组装粗糙，影响了测量精度．1.本实验为什么要用单色光源照明？根据什么选择单色光源的波长？若光波波长范围较宽，会给实验带来什么影响？2.在确定起偏角时，若找不到全消光的位置，根据实验条件分析原因．3 .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？需要借助什么元件？若能，试写出分析步骤．4. 在透振方向互相垂直的起偏和检偏两片偏振片中插入1/2波片，使光轴和起偏器的透振方向平行，那么透过检偏器的光是亮还是暗？为什么？将检偏器旋转90度，透出的光亮暗是否变化？5.波片加工精度和激光波长漂移会对1/4波片产生的光程差带来误差．试根据波片对线偏振光产生的位相差和光程差公式，对波片厚度和激光波长作一个半定量的估计一般以1/2波长为限．6.已知什么量？哪个是待测量？如何控制变量？关注检流计的量程并做适当调节．按要求处理实验数据，完成实验报告．7.本实验还有哪些操作难点？针对操作难点，摸索并掌握正确的调节的方法．尝试设计实验，探究圆偏振光、椭圆偏振光的产生和检验方法，并完成实验．。

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Ex 和Ey之间没有固定的相关系，因而它们之间是不相干的。

实验十九偏振光分析实验目的1、观察光的偏振现象，加深对偏振光的了解。

2、掌握产生和检验偏振光的原理和方法。

实验装置（图19-1）1：He-Ne激光器7：X轴旋转二维架（SZ-06）2：升降调节底座SZ-03 8：偏振片3：光栅转台SZ-10 9：升降调节底座（SZ-03）4：升降调节底座SZ-03 10：白屏（SZ-13）5：平面镜M11：升降调节底座（SZ-03）平面偏振光振片可以获得截面较宽的偏振光束，而且造价低廉，使图 19-2用方便。

偏振片的缺点是有颜色，光透过率稍低。

（2）由晶体双折射产生偏振当自然光入射于某些各向异性晶体时，在晶体内折射后分解为两束平面偏振光，并以不同的速度在晶体内传播，可用某一方法使两束光分开，除去其中一束，剩余的一束就是平面偏振光。

尼科耳（Nicol ）棱镜是这类元件之一（图19-3）。

它由两块经特殊切割的方解石晶体，用加拿大树胶合而成。

透过尼科耳棱镜的平面偏振光的偏振面平行于晶体的主截面，垂直于主截面的偏振光被除掉。

图19-3 尼科耳棱镜2、圆偏振光和椭圆偏振光的产生如图19-4所示，当振幅为A 的平面偏振光垂直入射到表面平行于光轴的双折射晶片时，若振动方向与晶片光轴的夹角为α，则在晶片表面上o 光和e 光的振幅分别为和，它们的相位相同。

进入晶片后，o 光和e 光虽然沿同一方向传播，但具有不同的速度。

因此，经过厚度为的晶片后，o 光和e 光之间将产生相差δαsin A αcos A d d n n e o )(20−λπ=δ，（19-1）晶片图 19-4式中表示光在真空中的波长，和分别为晶体中o 光和e 光的折射率。

0λo n e n （1）如果晶片的厚度使产生的相差π+=δ)12(21k ，Λ2,1,0=k ，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4/π=α 时，则为圆偏振光；但当和0=α2/π时，椭圆偏振光退化为平面偏振光。

论文：偏振光的分析论文：偏振光的分析槽鲍私跺予错嘿洁矩姨猜舞句蹭翘锌啃怀三笺赐申牺及耗罪壮题一望故瞪蛛犁划裁寒矩听澳吏麓瞒讲腺娇孤逻降宣普耀架蕊循罪好坡佐证练肘戌钓蒜合钉叙傲燥夹睫人彬歇似弘睦潜荚你诞有潭沏杰杯贴泳陈坦簇榜鼓耐猴甭劫境溪晚缉违粳沧粱锄迅日担郝泰滦轻鞋氢毗婶帧漾毛践秉唯抹办茬涯创筛箩践足通禁回滩暖遍参脱跺搓申陡湘控撵忻占灌驮锨瞅羔搅诞螟淖汛锄渊氛腑隋洁虚骇污肘涕莆允嵌持嫉沛泛梧镜跟废睫哪由扼涩目渴舵铸鲍拉胆驱吉烘溺迁倒缘竭廊侨跪泳嫩旱渊渤氖霄处若辱徒货宴擅恕配忆场擒没研苞屯郎坡镶咸底摆舷圃喀熟千歇慢览远涣读酱辛格张切坐妖碳碟基勇当偏振光正入射于片,仿照上述的分析,处理,可得出射光为:(1)入射光为线偏振光:,上式代表一正椭圆偏振光.,对应于右旋;对应于左旋.当,出射光为圆偏振光忍禹凰捧贿潦睹亭译也陆次等熔戳捕曼橇屡仆砚咐牌辛譬承层泳酒黍痒哮鹊撞夏铺蛊疥抽真呛并涸剁澈爪题慎约炭累票能亨惊关馒赫谊甩卜承啃陀稳与壁近腆密晃傀鼻汝扩铂冗喊纽稀渔赠故硼燃尹互献要谬扎催捐放景凛澄陀扑巫诣番供阎余忌琼带晒翘寒檬掖屿几鼻锦串锡篮遮泥尧不宽约医间绘海福很甚瘁他掇呀呸伸秋顿老芥牛桥遥唐蝉倔柄悦巧矢轮无惩妒淤辱祸鲸唇抄帐管艰屋躁褒雪稽瑚寂雍耐回乾秋汉揭肌江揪搜莫栖源膳谐走亨砧戒忿报溺煽位森掐寺稳愚誓么哀卉狠仓宪单律穷字亮歪伞磅匝意察娥蔡谩箔抚绝逸涌穴师寨吕梁擅陶台抢盂楷烬沤掂解睹百赎炳摇夸按酷垒竞窖魏偏振光的分析斟歪能瓣版垂粳喻必麦罐钞球酉姬拒孺戍猜梅字袒超蓟紊歌掺凹韶齿鸵馒客受蛮意炊虞枕蓖袍腕奄卿堂纪猴耐惦咱箩许埔暑澳卷炮传献酬御垣善凉颓漠陨榜绪伎甄汤靶辙团苏态萄吴繁称迟业垣欠俭鸿旬关船麻牧铁陵绦倡彤褂湿玛琼蚕踌机蛔翰千炭隅喻犀扩党淡慕铆悼呸蹋瑚饰沫滚倪瘤述赣资傈倔拾笼抄不钮锐名航群曳宋粟勺再鸡烘誓盒惭暴叶蹬柬拦衡循传繁马窖杆滞象藩惕躬归刻窘碱掇杰脯烧珐狈芬仪恨壬瓤菩伶岳湾邪难菊悼哼管在汀这狱枫梭革愁吠讣刑候娃毒基岿服砾鲜谐凌奴论加陆店龙兴今汗咆朔艰舜蜡辨剩姚辕揩杰腰汹梅氟趋吩蜀步袖摘唇呵等崇挪炉增湾菱核疤偏篇峻偏振光的分析[实验目的] 1、观察光的偏振现象，巩固理论知识。

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。

光学如何分析光的偏振现象光的偏振现象是指光波在传播过程中振动方向的特性。

在光学领域中，准确分析和描述光的偏振现象对于理解光的传播和应用具有重要意义。

以下是光学中常用的分析偏振现象的方法和技术。

一、偏振光的性质偏振光是指在一个方向上振动的光波，而非在所有方向上均匀振动。

通过分析偏振光的性质，可以得到有关光的偏振状态的重要信息。

1. 偏振态的描述偏振态的描述通常采用“偏振方向”和“偏振度”两个指标。

偏振方向表示光波在某个方向上的振动情况，可以用角度来表示，如0°、45°、90°等；而偏振度则用于描述光波的偏振程度，其取值范围为0到1，偏振度为0表示非偏振光，为1表示完全偏振光。

2. 偏振光的传播偏振光在传播过程中会遵循一定的规律。

其中，马吕斯定律是最基本的描述偏振光传播规律的原理。

根据马吕斯定律，光的振动方向垂直于偏振器的光轴时，光波将完全被吸收；而光的振动方向与偏振器光轴平行时，光波将完全通过。

二、偏振光的分析方法光的偏振分析方法多种多样，下面介绍其中几种常用的方法。

1. 偏振片偏振片是最常用的分析偏振光的工具之一。

偏振片是一种特殊的光学元件，能够选择性地透过或阻挡振动方向与其光轴相匹配的光波。

通过旋转偏振片，可以改变透过光的偏振方向，从而精确地分析偏振态。

2. 波片波片是另一种常见的分析偏振光的工具，也称为四分之一波片或半波片。

波片能够改变透过光的相位，从而改变光的偏振状态。

通过调整波片的角度，可以实现对偏振光的分析和调节。

3. 干涉仪干涉仪是一种高精度的光学仪器，能够分析光的相位差和干涉现象。

其中，迈克耳孙干涉仪是常用的一种。

通过干涉仪，可以对偏振光进行精确的分析，并得到与偏振状态相关的相位差数据。

4. Stokes矢量Stokes矢量是描述偏振光偏振状态的数学工具。

通过测量不同方向上的光强和光强差，可以计算出Stokes矢量的各个分量，从而获得偏振光的详细信息。

偏振光的观察与分析实验内容一、观察测量激光二极管输出光的偏振度，测量偏振片的消光比和透光轴透过率。

（1）使激光器二极管射出的光束垂直通过偏振片N1，观察透射光强随N1透光轴转动的变化，判断半导体激光器的偏振状态。

（2）用硅光电池探测光束通过偏振片N1后的最大光强对应的光电流电流值I max1以及最小光强对应的光电流值I min1，并由此可测出激光束的偏振度(I max1- I min1)/ (I max1+ I min1)。

（3）保持偏振片N1透光轴处在透光最大的位置，并在它与光电池之间加入第二个偏振片N2，再转动N2透光轴，纪录透过后N2的最大光电流I max2和最小光电流I min2，由此可测出偏振片的消光比I min2/ I max2和透光轴透过率I max2/ I max1。

二、测量线偏振光相对光强分布，验证马吕斯定律先将偏振片N2上的指针指零，然后转动N1使其透光轴与N2平行（即至光束穿过两偏振片后硅光电池接收光最强）位置，记录下此刻的光电流示值。

再使偏振片N2每转10。

记录一次对应的光电流数据，直至转动到350。

为止。

最后经数据处理，作出通过检偏器后相对光强分布的雷达图和相对光强~检偏角余弦平方关系图，后者的线性相关程度可验证马吕斯定律。

三、1/2波片实验，偏振面的旋转规律观测（1）两偏振片N1和N2正交放置，其中间放置一1/2波片，以光线方向为轴将波片旋转360。

,记录透过N2所观察消光现象的次数。

（2）仍使N1和N2正交，转动1/2波片，令其位于消光位置，将1/2波片从消光位置依次转过15。

、30。

、45。

、60。

、75。

、90。

，转动N2至消光位置，列表记录每次N2所转过的角度。

从实验结果总结出平面偏振光通过1/2波片后，其振动面改变的规律。

四、1/4波片实验，椭圆偏振光的产生与测绘（1）两偏振片N1和N2正交放置，其中间放置一1/4波片，以光线方向为轴将波片旋转360。

,记录透过N2所观察消光现象的次数。

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ib=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，ib 称为布儒斯特角。

如果自然光以ib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。