研究光的偏振与偏振仪器

第３０卷第１期　２０１０年１月　云南师范大学学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｙｕｎｎａｎ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｖｏｌ＿３Ｏ　Ｎｏ．１　Ｊａｎ．２０１０　

用示波器研究光的偏振现象　

吕宪魁，　刘　燕，　王炳灿，　尚鹤岭　

（云南师范大学物理与电子信息学院云南昆明６５００９２）　

摘要：　介绍了一种利用ｗｓＺ型光学实验平台和ＹＢ４３４５型示波器验证马吕斯定律、测量物质旋光率　

的综合实验设计方案。该实验内容已在我院物理专业的物理实验教学中应用，并取得较好效果。　关键词：偏振现象；示波器；综合实验　中图分类号：０４３６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７—９７９３（２０１０）０１—００６２—０３　

１实验原理和方法　

１．１偏振现象和马吕斯定律的验证　

光学实验中，对光的偏振现象的观测是重要的内容，马吕斯定律的验证是必做实验之一，传统的检　验方法是用用检流计检验…，这里我们利用示波器来进行验证，装置示意如图１．　

强度为，０的平面偏振光通过检偏振器后，根据马吕斯定律，出射光的强度为，＝ｔｏＣＯＳ　（其中０为　

平面偏振光偏振面和检偏器主截面的夹角）。　

起信器Ｎｌ起信器Ｈ２　硅光电池　

图１装置示意图　图２装置实物图　

Ｆｉｇｕｒｅ．１　Ｔｈｅ　ｓｋｅｔｃｈ　ｍａｐ　ｏｆ　ｄｅｖｉｃｅ　Ｆｉｇｕｒｅ．２　Ｔｈｅ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｍａｐ　ｏｆ　ｄｅｖｉｃｅ　

激光光束依次射向起偏器Ｎ　、检偏器Ｎ：和硅光电池，光经过硅光电池转化为电流，Ｎ　可由电机带　

动旋转，假设Ｎ　以角速度∞转动，则，＝ｌｏｃｏｓ　ｔｏｔ，由于硅光电池的电流ｉ与光强Ｉ成正比，因此示波器　

显示的为一成余弦规律变化的曲线，其电流的变化为　

＾　ｉ＝ｉｏｃＤｓ　ｔｏｔ＝ｉｏｃ０ｓ　（１）　』　Ｎ：未转动时，，：ｌｏｃｏｓ　０，０为定值，，也为定值，示波器显示的图像应为一条直线。通过两种图像的　

对比，可定性验证马吕斯定律。　

１．２物质的旋光现象和物质旋光率的测量　

实验一 光偏振实验

光的偏振现象是波动光学中一种重要现象，对于光的偏振现象的研究，使人们对光的传播（反射、折射、吸收和散射等）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方面都有着广泛的应用。本实验将对光偏振的基本知识和性质进行观察、分析和研究。

【实验目的】

1、 了解偏振光的种类。着重了解和掌握线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光的产生及检验方法

2、 了解和掌握1/4波片的作用及应用。

3、 了解和掌握1/2波片的作用及应用。

4、 验证马吕斯定律

【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：如矢量沿着一个固定方向振动，称线偏振光或平面偏振光；如在垂直于传播方向内，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。

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nibarctan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。bi称为布儒斯特角。如果自然光以bi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。

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。

偏振光的研究

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。光的偏振现象最早是牛顿在1704年至1706年间引入光学的；马吕斯在1809年首先提出“光的偏振”这一术语，并在实验室发现了光的偏振现象；麦克斯韦在1865年至1873年间建立了光的电磁理论，从本质上说明了光的偏振现象。按电磁波理论，光是横波，它的振动方向和光的传播方向垂直，因此可以分成五种偏振态：自然光（非偏振光）、线偏振光、部分偏振光、园偏振光和椭圆偏振光。自然光是各方向的振幅相同的光，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。部分偏光可以看成自然光与线偏光混合而成，即它有某个方向的振幅占优势。园偏光和椭圆偏振光是光矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈圆或椭圆。 通过对偏振光的研究人们发明和制造了一些偏振光的元件，如：偏振片、波片和各种偏振棱镜等。利用光的偏振现象在物理学方面可测量材料的厚度和折射率，可以了解材料的微观结构。力学上利用偏振光的干涉现象检测材料应力分布，进一步应用于建筑工程学方面就可以检测桥梁和水坝的安全度。

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

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光的偏振现象的实验研究

摘要：本文从理论上介绍了自然光、线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光等的概念；以及产生、鉴别这几种偏振光的方法；介绍了1/2，1/4玻片的定义和1/2，1/4玻片的光学特性；以及研究1/2，1/4玻片光学特性实验过程，实验结果和实验现象分析。然后由实验验证马吕斯定律，以及测反射光为线偏振光时的入射角，即测量布儒斯特角。

关键词：波片；马吕斯定律；布儒斯特角；分析

引言

偏振是横波的重要标志，光波属于横波。在光学学习过程中，干涉、衍射、偏振都是波动光学的主要内容。本文将从理论和实验两方面对光偏振问题做出分析，主要内容包括：用实验来研究波片的光学性质，对马吕斯定律的验证以及布儒斯特角的测量。以光偏振在日常生活中的应用结尾，理论与实践相结合，加深对光的偏振现象的理解，拓宽对光学领域的认识。

1光偏振现象的基本理论

1.1偏振的基本概念

光是一种电磁波,电磁波是横波。光波是电磁波,因此,光波的传播方向就是电磁波的传播方向。光波中的电振动矢量E和磁振动矢量H都与传播速度v垂直，因此光波是横波，它具有偏振性。而振动方向和光波前进方向构成的平面叫做振动面，光的振动面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或线偏振光。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,只有横波才有偏振现象。具有偏振性的光则称为偏振光。偏振光是指光矢量的振动方向不变，或具有某种规则地变化的光波。按照其性质,偏振光又可分为平面偏振光（线偏振光）、圆偏振光和椭圆偏振光、部分偏振光几种。

如果光波电矢量的振动方向只局限在一确定的平面内，则这种偏振光称为平面偏振光，若轨迹在传播过程中为一直线，故又称线偏振光。如果光波电矢量随时间作有规则地改变，即电矢量末端轨迹在垂直于传播方向的平面上呈圆形或椭圆形,则称为圆偏振光或椭圆偏振光。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,这种偏振光就称为部分偏振光。