偏振与双折射实验讲义(2015)

偏振与双折射实验报告实验目的：本次实验旨在通过实验操作验证偏振与双折射现象，并深入了解其基本原理和应用。

实验器材：偏光片、双折射晶体、平行光源、显微镜、偏振镜、光源滤片、介质物。

实验原理：偏振现象指的是碎片形状不同的光通过偏振片时，透射出的光线及光强会有所改变的现象。

偏振片是由其中的一些小分子串列而成的，这些小分子只容许某一方向的振动传播。

当光透过偏振片时，只有与筛网平行的振动分量可以通过，与筛网垂直的振动分量则被截止了。

双折射现象是指在某一些晶体中，不同方向的光线具有不同的折射率，从而产生双折射现象。

在正常的单折射晶体中，光的传播方向与折射率无关。

在双折射晶体中，光的传播方向与折射率是有关系的。

通过双折射显微镜可以观察到双折射现象。

实验步骤：第一步：使用光源、平行光源和光源滤片，发出平行光线。

第二步：在光路中加入偏振片和偏振镜，观察透射光线的改变。

第三步：选一块双折射晶体，放在偏振片和偏振镜之间的光路上，观察透射光线的变化。

第四步：在双折射晶体中加入特定介质物，再次观察透射光线的变化。

实验结果：在第一步中，我们通过光源、平行光源和光源滤片，发出平行光线。

在第二步中，我们将偏振片和偏振镜加入光路，发现透射光线的光强会发生变化。

在第三步中，我们选一块双折射晶体，放在偏振片和偏振镜之间的光路上，观察到透射光线会发生双折射现象。

在第四步中，我们在双折射晶体中加入特定介质物，观察到透射光线的双折射现象随介质物种类不同而改变。

结论：本次实验中，我们验证了偏振和双折射现象的存在，并深入了解其基本原理和应用。

我们也掌握了相关实验操作技能，并通过实验得到了有价值的数据和结论。

偏振光与双折射实验教案偏振与双折射实验教案赵东⼀、实验⽬的1、观察光在各向异性晶体中传播时产⽣的双折射现象，了解其规律；2、观察光的偏振现象，加深对各种偏振光的概念和规律的理解；3、掌握⼀些偏振光的产⽣和检验⽅法，以及了解相关仪器件的原理和使⽤⽅法。

⼆、实验原理1、光的横波性与偏振光的横波性是指光波的电⽮量与光的传播⽅向垂直。

在传播⽅向上垂直的⼆维空间中，电⽮量可能有各种各样的振动状态，我们称之为偏振。

简⽽⾔之，振动⽅向与传播⽅向垂直的波，叫横波。

光的偏振态可分为5种：⾃然光，线偏振光，部分偏振光，圆偏振光，椭圆偏振光。

后⾯将⼀⼀介绍。

2、⼆⾊性与偏振⽚(polarizer) 2.1⼆⾊性有的晶体对不同⽅向的电磁振动具有选择吸收的性质，当光照射到这种晶体的表⾯上时，振动的电⽮量与光轴（光轴的概念在后⾯介绍）平⾏时，被吸收得⽐较少，光可以较多地通过；电⽮量与光轴垂直时，被吸收得较多。

⽐如电⽓⽯晶体。

这种性质叫⼆⾊性。

2.2偏振⽚的制造这⾥先插⼊对偏振⽚的介绍。

能产⽣线偏振光（线偏振光的概念见后⾯）的晶⽚叫偏振⽚。

电⽓⽯对电⽮量垂直和平⾏与光轴⽅向的光的吸收程度的差别还不够⼤，我们要做的理想偏振⽚的要求是，最好能使⼀个⽅向的振动全部吸收掉。

在这⼀点上，碘硫酸奎宁晶体的性能要⽐电⽓⽯好得多，但是它的晶体很⼩。

通常的偏振⽚是在拉伸了的塞璐璐基⽚上蒸镀⼀层硫酸奎宁晶粒，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。

⼩知识：1852年海拉巴斯(Herapath)发现碘硫酸奎宁晶体有⼆向⾊性，这⼀发现被布儒斯特写⼊书中，当时在哈佛就读的学⽣兰德(Land)读了布儒斯特的书后，对此很感兴趣。

⼏年后，兰德发明⼀种⽅法，把细⼩的针状的碘硫酸奎宁晶体排列在塞璐璐基⽚上，制成了⾯积很⼤的线偏振器。

这是⼀种价廉物美的偏振⽚，⾄今还⼴泛运⽤科研和教学中。

2.3偏振⽚的透振⽅向偏振⽚上能透过的振动⽅向称为它的透振⽅向。

光的偏振与双折射现象光是一种电磁波，可以在真空中以及各种介质中传播。

而在传播过程中，光的偏振与双折射现象是光波特性中非常重要的内容。

本文将介绍光的偏振与双折射现象的基本概念和原理。

一、光的偏振偏振是指光波中的电场矢量在传播方向上的振动方式。

光波可分为非偏振光、偏振光和部分偏振光。

1. 非偏振光：光波中的电场矢量在各个方向上均匀分布，没有特定的振动方向。

2. 偏振光：光波中的电场矢量在某一特定方向上振动，而在其他方向上几乎无振动。

常见的偏振光有线偏振光和圆偏振光。

3. 部分偏振光：光波中的电场矢量在多个方向上振动，但是其中有一个主要的振动方向。

光的偏振可以通过偏振片进行实验观察和分析。

偏振片是由特殊材料制成的，在某一方向上只允许特定方向的电场矢量通过。

当非偏振光通过偏振片时，只有与偏振片振动方向一致的电场矢量能通过，其他方向上的电场矢量则被滤除，从而得到偏振光。

二、双折射现象双折射指的是某些特定材料在光线入射时会发生两个不同速度的折射现象。

这是由于光在这些材料中的传播速度与光的偏振方向有关。

具有双折射现象的材料被称为双折射材料，其中最常见的是石英晶体。

当光线垂直于晶体的光轴方向传播时，不会发生双折射现象；但当光线不垂直于光轴时，就会发生双折射现象。

双折射材料可以通过偏振光的传播方向和光轴方向之间的夹角来进行分类。

根据夹角的不同，可以分为正常双折射和畸变双折射。

1. 正常双折射：在该类材料中，晶体的光轴方向与偏振光的振动方向垂直。

在光线通过材料时，会出现两个折射光束，一个按照正常的折射定律折射（常光），另一个则不按照常规定律折射（特光）。

2. 畸变双折射：在该类材料中，晶体的光轴方向与偏振光的振动方向不垂直。

在光线通过材料时，除了产生两个折射光束外，还会出现不同程度的畸变现象，导致光的传播路径变得复杂。

三、应用领域1. 光学器件：光的偏振与双折射现象在光学器件的设计中起着重要作用。

例如，偏振片可以用于光的调节、滤波和分析等方面。

光的偏振与双折射解密光的振动特性光是一种电磁波，作为一种波动现象，具有振动特性。

光的振动方向是指光波电场变化的方向。

光的振动可以是沿着任意方向，但是在许多情况下，光波的振动方向会受到影响，其中一种重要的现象是光的偏振和双折射。

一、光的偏振现象1. 偏振光的定义光线在传播过程中，其振动方向只在一个特定的平面上振动，这种光称为偏振光。

在偏振光中，只有振动方向与某一平面垂直的光能够通过偏振器。

2. 偏振光的产生偏振光的产生可以通过自然光经过偏振器滤波得到，也可以通过其他的物理现象产生，例如布儒斯特角反射。

3. 偏振器和偏振光的性质偏振器是一个能够选择性通过某个特定方向的光的器件。

当自然光通过偏振器时，垂直于偏振器所允许的唯一振动方向的光被选择性地通过，而其他方向的光则被阻挡。

二、双折射现象1. 双折射的定义双折射是指当光线传播到某些特殊的晶体材料中时，光线会分为两束，沿不同的路径传播。

这种现象也称为光的波面分裂。

2. 双折射的产生双折射是由于晶体结构的对称性导致的。

在一些晶体中，光沿着晶体的不同轴向传播时，会遵循不同的折射定律，从而产生双折射现象。

3. 双折射的性质双折射会导致入射光在晶体内发生方向的改变，使得光线变得有两个不同的传播方向。

这种现象不仅存在于晶体材料中，也可以在一些特殊的非晶体材料中观察到。

三、光的振动特性解密1. 光的振动方向与电场在光学中，振动方向的概念与电场方向紧密相关。

光波电场的振动方向决定了光的偏振方向，而光线的传播方向与电磁场的传播方向保持一致。

2. 光的振动特性与介质相关光的振动特性可以通过介质的性质来解释和调控。

不同的介质对光的传播和振动方向会产生不同的影响，从而实现对光的偏振特性的调节。

3. 光的偏振与实际应用光的偏振性质在许多领域中有着广泛的应用，例如光学器件、通信技术、显示技术等。

通过对光的偏振进行精确控制和调节，可以实现更多的光学效应和功能。

综上所述，光的偏振和双折射现象揭示了光的振动特性。

光的偏振与双折射在我们日常生活和科学研究的广阔领域中，光的偏振与双折射现象是两个极为重要且有趣的光学概念。

当我们谈到光，通常会想到那明亮而无所不在的光线，照亮我们的世界。

然而，光的性质远比我们直观感受到的要复杂和丰富。

其中，偏振和双折射就是光的一些不那么显而易见但却充满魅力的特性。

让我们先来了解一下光的偏振。

想象一下，光是由无数个微小的电磁波组成的，这些电磁波在空间中振动传播。

在一般的自然光中，光的振动方向是随机的，各个方向都有。

但是，当光通过某些特殊的装置或介质后，它的振动方向会被限制在一个特定的方向上，这时候光就变成了偏振光。

就好像一群毫无秩序乱跑的孩子，经过引导后，都朝着一个方向前进。

偏振光在很多领域都有重要的应用。

比如，在 3D 电影中，就是利用了偏振光的原理。

我们戴上的 3D 眼镜，其实就是两个不同偏振方向的镜片。

通过让左右眼分别看到不同偏振方向的光，从而在我们的大脑中产生立体感。

再来说说双折射现象。

当一束光入射到某些晶体中时，会分裂成两束折射光，这就是双折射。

这两束光的传播速度和偏振方向都有所不同。

就好像一条道路突然分成了两条不同的路径。

双折射现象在很多方面都具有重要意义。

在光学仪器中，比如偏光显微镜，就是利用双折射来观察和分析样品的结构。

通过观察样品在偏振光下的表现，可以获取关于其晶体结构、应力分布等重要信息。

为了更深入地理解光的偏振和双折射，我们需要了解一些相关的物理原理。

光是一种电磁波，其电场和磁场的振动方向相互垂直，并且都垂直于光的传播方向。

对于偏振光来说，其电场的振动方向被限制在一个特定的平面内。

而双折射现象的产生，是由于晶体内部的结构具有各向异性。

也就是说，晶体在不同方向上的物理性质是不同的。

这导致了光在晶体中传播时，其传播速度和偏振状态会发生改变。

在实际的实验和观察中，我们可以通过一些简单的方法来验证光的偏振和双折射现象。

例如，使用偏振片来检测光是否偏振。

当偏振片的偏振方向与光的偏振方向一致时，光可以通过；当两者垂直时，光被阻挡。

实验07 光的偏振实验光波是特定频率范围内的电磁波。

在自由空间中传播的电磁波是一种横波，光波的偏振特性清楚地显示了光的横波性，是光的电磁理论的一个有力证明。

本实验研究光的一些基本的偏振特性，通过实验深入学习有关光的偏振理论。

【实验目的】1、 理解偏振光的基本概念，偏振光的起偏与检偏方法；2、 学习偏振片与波片的工作原理与使用方法。

【仪器用具】SGP-2A 型偏振光实验系统【实验原理】1、 光波偏振态的描述一般用光波的电矢量（又称光矢量）的振动状态来描述光波的偏振。

按光矢量的振动状态可把光波偏振态大体分成五种：自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。

这里重点讨论偏振光的描述。

一个单色偏振光可分解为两个偏振方向互相垂直的线偏振光的叠加，即⎩⎨⎧+==)cos(cos 21δωωt a E ta E y x （1） 式中δ为x 方向偏振分量相对于y 方向偏振分量的位相延迟量，1a 、2a 分别是两偏振分量的振幅，ω为光波的圆频率。

对于单色光，参数1a 、2a 、δ就完全确定了光波的偏振状态。

以下讨论中，取021>a a 、，πδπ≤<-。

当πδ，0=时，式（1）描述的是一个线偏振光，偏振方向与x 轴的夹角)c o s a rc t a n (12δαa a=称为线偏振光的方位角（如图1所示）。

图 1 线偏振光 图 2 圆偏振光当2/2/ππδ-=，且21a a =时，式（1）描述的是一个圆偏振光，其特点是光矢量为角速度ω旋转，光矢量的端点的轨迹为一圆。

δ的正负决定了光矢量的旋向，2/πδ=时为右旋圆偏振光，2/πδ-=时为左旋圆偏振光（迎着光的方向观察，如图2所示）。

除了上述特殊情况，式（1）表示的是椭圆偏振光（如图3所示）。

偏振的一个重要应用是研究光波通过某个光学系统后偏振状态的变化来了解此系统的一些性质。

2、 偏振片和马吕斯定律偏振片有一个透射轴（即偏振化方向）和一个与之垂直的消光轴，对于理想的偏振片，只有光矢量振动方向与透射轴方向平行的光波分量才能通过偏振片。

光的偏振与双折射现象光是一种电磁波，可以表现出多种性质，其中偏振和双折射现象是光学中的重要现象。

本文将介绍光的偏振和双折射现象的原理与应用。

一、偏振现象偏振是指光波传播过程中，光的振动方向发生了限制或者变化的现象。

光的偏振可以通过偏光片来实现。

偏光片是一种特殊的光学材料，可以选择性地传递特定方向上的光振动，而将其他方向上的振动滤除掉。

常见的偏光片有偏振片和偏振镜。

偏振现象的应用十分广泛。

在摄影领域，使用偏振镜可以有效地减少光的反射，增强色彩鲜艳度和对比度。

在液晶显示领域，液晶屏通过对光进行偏振来实现显示效果。

此外，偏振现象也在光通信、材料研究和光学器件制造等领域得到广泛应用。

二、双折射现象双折射现象是指光在某些特定材料中传播时，分裂成两个独立的光线的现象。

这是由于这些材料的晶体结构对于光波的传播方向有特殊的影响。

双折射现象也称为光的双折射或者倍频效应。

双折射现象最早被发现于石英晶体。

当光通过石英晶体时，会分裂成一个普通光线和一个额外光线，它们分别遵循普通折射定律和额外折射定律。

这两条光线有不同的折射率和传播速度，因此会呈现出不同的传播路径和相位差。

这种现象可以被用来制造光学器件，如偏光棱镜和波片。

双折射现象在光学领域具有重要应用。

例如，在显微镜中，使用偏光器和波片可以增强对样品内部结构的观察。

在激光技术中，偏折光的双折射可以用来改变激光的传输特性和调节光强。

总结光的偏振和双折射现象是光学中的重要现象。

它们不仅有基础研究意义，而且在光学器件和技术应用中起到重要作用。

深入了解和掌握光的偏振和双折射现象，将有助于我们更好地理解光的本质和应用。

光的偏振效应与双折射的研究光是一种电磁波，它具有波动性质。

然而，光还有一种与波动性质相对应的电场和磁场的方向。

光的偏振效应就是指光的电场矢量在空间中特定方向上的振动。

当光通过某些物质时，例如晶体或者有机分子，光的偏振会发生改变。

这种现象就是双折射。

双折射意味着光在通过物质后，分成了两束光，并且它们的偏振方向不同。

这个发现是由克里斯托夫·惠东格、乔治·斯托克斯和尤利乌斯·普劳克在19世纪中叶做出的。

他们的研究提供了对光性质的新认识。

双折射效应在科学界和应用领域中有着广泛的应用。

一些特殊材料如石英晶体、磷酸镁和纤维素等都具有双折射性质，这使得它们在光学仪器和通信领域中得到广泛应用。

双折射是由物质的分子结构决定的。

一些晶体具有对称的晶胞，光在通过时不会发生散射和偏振的改变，这些晶体被称为等轴晶体。

然而，其他一些晶体由于其非对称的晶胞结构，会使光发生偏转和偏振的改变，这些晶体被称为非等轴晶体。

这些特殊的晶体在受到外加电场或者应力的作用下，会出现双折射的改变，这就是电光效应和压光效应。

电光效应意味着当电场施加在晶体上时，晶体的折射率会发生改变。

这被广泛应用于调制器件和光学开关。

压光效应是指当晶体受到压力时，晶体的折射率也会改变。

这些效应在光学传感器和光学振动分析中有重要应用。

此外，在双折射研究中还涉及到光的自旋。

自旋是光子的一种特性，它代表光子的角动量。

在高能物理实验和量子力学研究中，自旋会影响物质的相互作用。

在双折射研究中，自旋也被认为对光的偏振有一定的影响。

除了在科学和应用领域中的重要性，双折射的研究对于深入了解光的本质和性质也有着重要意义。

双折射的存在表明光是一种具有粒子性质的电磁波。

在光的双折射现象下，光的传播路径不再是一个简单的直线，而是发生了偏转。

这一发现对于光传播机制的理解起到了重要的推动作用。

尽管双折射的现象在科学界已经有了很多研究，但仍需要更深入的研究来揭示其中的机制以及探索更多的应用领域。

光的偏振与双折射光是一种电磁波，当光通过某些介质时，它的振动方向会发生变化。

这就是光的偏振现象。

同时，某些晶体还具有双折射特性，即光在进入晶体时会分裂成两束光线，这也与光的偏振有关。

1. 光的偏振现象光的偏振是指光波中的电场矢量在空间中振动的方向。

一般情况下，光是以各个方向振动的无偏振光，但当光通过特定介质时，电场矢量的振动方向会被限制为特定的方向，这种现象称为光的偏振。

一个常见的产生偏振光的方法是通过偏振片。

偏振片是一种由有机高分子或无机晶体制成的透明薄片，其中的分子或晶格结构能够选择性地吸收或透过特定方向上的光振动。

当光通过偏振片时，与偏振片相垂直的振动方向的光会被吸收或减弱，而与偏振片平行的振动方向的光则可以透过。

2. 马吕斯定律与双折射除了偏振现象，光还具有双折射特性。

在某些晶体中，光通过时会发生不同的折射现象，即一个入射光线会分裂成两束光线，并沿不同的方向传播。

这种现象被称为双折射。

双折射的性质可以由马吕斯定律描述。

马吕斯定律规定，当光线从一个介质（称为主光轴）进入具有双折射性质的晶体时，将会被分为两束光线，一束沿主光轴方向传播，称为普通光线；另一束则沿着与主光轴垂直的方向传播，称为非普通光线或称为振动光线。

这两束光线的传播速度和折射率都不同，因此它们在晶体中的传播路径也会发生偏离或弯曲。

当这两束光线再次离开晶体时，它们的振动方向也会发生改变，这进一步与光的偏振相关。

3. 光的偏振与双折射的应用光的偏振和双折射现象在许多领域都有重要的应用。

以下是一些相关的应用举例：3.1 光学器件偏振片广泛应用于各种光学器件中。

例如，在摄影领域中，偏振片可以用于控制光线的入射角度和减少反光；在液晶显示器中，偏振片则用于调控和控制液晶分子的取向，从而实现图像的显示。

3.2 光通信在光纤通信中，光的偏振也是一个重要的考虑因素。

由于光信号本身也是具有偏振的，因此需要采取相应的措施来保持光信号的传输质量。

通过使用偏振保持器和偏振控制器，可以控制和调整光信号的偏振状态，以确保光信号在光纤中的传输稳定性和可靠性。

五、数据记录、处理与误差分析 （一）、I —θ关系验证马吕斯定律： 数据记录：θ（°）102030405060708090I （×710-A ） 150.2148.3 142.1 128.4 105.9 74.8 45.4 20.9 6.1 0I —θ关系的极坐标图：51015202530354045505560657075808590 B由上图可看出，光感应电流I 与θ之间，在右半侧近似于圆，而在左半侧则明显位于圆弧的下方。

这是因为由马吕斯定律可知I 与Cos 2θ之间是正比例关系，那么当θ越小，则Cos θ≈1，此时Cos θ≈Cos 2θ，所以右半侧近似于圆；而当θ→π/2时Cos θ→0，则有Cos θ>>Cos 2θ，则左半侧明显位于圆弧下方。

I —θ2Cos 关系的直角坐标系图：0.00.51.0060120DB-120-100-80-60-40-20204060Y Axis Title由上图可以看出，图线近似趋近于一条过原点的直线，则可得到验证马吕斯定律成立。

I=154.03θ2Cos +5.20（二）、圆偏振时：数据记录：ψ（°）0 30 60 90I（×710-A）90.9 90.5 77.7 66.8理论上来说，圆偏振时，I不应随ψ的变化而变化，然而，从表格看出，I 的波动范围较大，经分析，可能有以下方面原因：1.仪器的光轴没有在同一条直线上，特别是P的光轴没有对齐，那么，转动2P则会引起较大波动；22.P并非绝对均匀，转动引起了光通过的部分改变，从而引起数据波动；23.仪器精度有限，因为电流大小本身已达到710-数量级，而使得一个很小的波动引起仪器示数较大变化。

（三）、椭圆偏振θ=30°时：数据记录：ψ（°）0 10 20 30 40 50 60 70 80I（×710-A）111.2 109.6 91.8 72.9 53.7 43.8 38.4 37.3 41.3 ψ（°）90 100 110 120 130 140 150 160 170 I（×710-A）49.9 61.4 76.5 87.6 99.2 102.9 110.1 113.3 108.9 ψ（°）180 190 200 210 220 230 240 250 260 I（×710-A）99.7 90.8 76.5 62.6 52.2 41.1 36.6 35.7 41.9 ψ（°）270 280 290 300 310 320 330 340 350 I（×710-A）52 66 81.6 94.4 106.4 113.8 113.8 125.5 118.2I —ψ关系的极坐标图5010015020406080100120140160180200220240260280300320340050100150由图线可以看出I —θ关系呈现出一定的对称性，数据符合椭圆偏振的特性。

光的偏振与双折射解析偏振角和双折射率的计算偏振是指光波在传播过程中偏离自由传播状态的现象。

光可以被分为不同方向的偏振态，其中最常见的是线偏振光。

而双折射是指当光通过某些特殊的材料时，光波会分裂成两个不同的方向传播的光线。

观察和计算光的偏振角和双折射率是研究光学行为的重要方面。

一、光的偏振角计算光的偏振角是指光波的电场矢量与某一参考方向（通常为光的传播方向）之间的夹角。

偏振角主要有两种常见的表示方式：在光学坐标系中的偏振角和在物理坐标系中的偏振角。

1. 光学坐标系中的偏振角在光学坐标系中，我们可以将光的偏振角表示为矢量的向量积。

假设光波的电场矢量为E，传播方向为z轴，偏振方向为x轴，那么可以用一个右手坐标系表示光的偏振角。

具体的计算公式为：θ = arctan(Ey/Ex)其中Ex和Ey分别表示电场矢量在x轴和y轴方向上的分量。

2. 物理坐标系中的偏振角在物理坐标系中，我们可以将光的偏振角表示为与光传播方向之间的夹角。

这个夹角通常由检偏器来测量。

假设光波的电场矢量为E，传播方向为z轴，而光传播方向和检偏器方向之间的夹角为α，那么计算公式为：θ = arcsin(sin(α)/n)其中n为材料的折射率。

二、双折射率的计算双折射是指当光通过某些特殊材料时，由于其晶格结构导致光波在材料内部发生分裂，分裂成两个不同的方向传播的光线。

双折射通常通过计算材料的双折射率来描述。

双折射率可以通过使用传输矩阵法来计算。

传输矩阵法是一种基于薄膜的光学计算方法，适用于计算具有各向异性的材料的光学性质。

具体的计算方法需要根据材料的晶格结构和折射率张量来确定。

这里不再赘述详细的计算步骤，但需要强调的是，双折射率的计算需要考虑材料的晶体结构、入射光的方向和波长等因素。

总结：光的偏振与双折射是光学研究中的重要概念。

通过计算光的偏振角和双折射率，我们可以更深入地理解光在材料中的传播行为。

对于光学器件的设计和应用也起到了重要的指导作用。