光偏振现象的研究实验报告

1、光偏振现象的研究实验报告（文章一）：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

2、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18xx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 i0? ? 2

3、 ，n1sini0?n2sin?， tgi0? sini0sini0n?cosi0sin?n1，若n1=1（为空气的折射率），则 n2?tgi0 （1） i0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

4、（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。 第三种

5、是偏振片，它是利用聚乙烯醇塑胶膜制成，它具有梳状长链形结构分子，这些分子平行排列在同一方向上，此时胶膜只允许垂直于排列方向的光振动通过，因而产生线偏振光。它的偏振性能不如格兰棱镜，但优点是价格便宜，且可以得到大面积的。本实验中采用偏振片作为起偏器和检偏器。 2. 波晶片： 又称位相延迟片，是改变光的偏振态的元件。它是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，由于波晶片内的速度vo ,ve 不同（所以折射率也就不同），所以造成o光和e光通过波晶片的光程也不同。当两光束通过波晶片后o光的位相相对于e光延迟量为， ? 2? ? (no?ne)d (2) 若满足 (ne?no)d?m?/4，即 ?2m? ?

6、2我们称之为?/4片，若满足 (ne?no)d?m?/2，即?2m?，我们称之为?/2片，若满足(ne?no)d?m?，即?2m?2?我们称之为全波片（m为整数）。 波晶片可以用来检验和改变光的偏振态，如图4所示，在起偏器后加上一个?/4波片，旋转起偏器或?/4波片就可以得到园或者椭圆偏振光细节和方法参见文献（2）、3。?/4波片是椭偏仪中的重要元件，而椭偏仪可以精确测量薄膜的厚度和折射率，是材料科学研究中常用的精密仪器。 偏振光的研究从马吕斯定律开始，马吕斯定律也是最基本和最重要的偏振定律。马吕斯在18xx年发现，完全线偏振光通过检偏器后的光强可表示为 I?I0cos2?（3） 其中的E是检

7、偏器的偏振方向和起偏器偏振方向的夹角。 实验仪器： （1）、.半导体激光器（波长650nm）（2）、起偏器、（3）、检偏器、（4）、分光计和数字式检流 计。 实验过程及数据处理与分析： （1）、仪器调节： （1）首先利用双平面镜调节放半导体激光器的光管（以下简称管1）使其与仪器的旋转主轴垂直（也就是说与度盘平面平行），同时使分光计载物台与度盘平面平行。 （2） 检查输出信号是否与数字检流计接好，检流计量程选择1档开关放在1档，调节零点旋钮，使数据显示为“-.000”（负号闪烁）。 （2）、测量半导体激光器的偏振度 在管1上套上起偏器P1，将量程选择4档开关打到第4档，（将起偏器竖直方向调到0?

8、），旋转起偏器找到光强最强的位置，记录角度和光强值Imax。再将起偏器旋转90?，记录角度和光强值Imin。根据公式计算激光的偏振度P： I?Ip?maxmin Imax?Imin （4） Imin = 1.2 Imax = 145.9 则由（4）式可计算得： P=0.983 （3）、验证马吕斯定律 检流计仍放在4档，在测量过程中也不要换档。将起偏器放在光强最强的位置，在管2 另一端套上检偏器P2并使竖直方向为0?。然后旋转检偏器P2使检流计的光强最小（仍在4档可以调为0）。此时可以认为P1 与P2偏振方向的夹角为90?，记录此时P2偏振方向的绝对角度值?、相对角度值?和光强值I，以后每隔10

9、?记录一次，直到P1 与P2偏振方向的夹角为 2 -90?，I0为 P1 与P2偏振方向的夹角为0?时的光强值，作出I/I0?cos?的关系曲线 （0?90?，0?-90?各一条，用最小二乘法求出斜率和截距，根据马吕斯定律斜率应为1，截距应为0，分析实验的误差）。 1) -900 用Origin线性拟合并分析误差： 2) 090 （文章二）：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 如果使检偏器的透振方向与暗方向平行，1/4波片与检偏器透振方向垂直或平行。 现象：两次亮光，两次消光 结论：椭圆偏振光 【小结与讨论】 1. 实验测的了632.8nm时玻璃对空气的折射率为1.5399。

10、 2. 单色自然光经过起偏器和检偏器，旋转检偏器一周，发现光电流相应出现两次消 光现象，是分析其原因。 答：当检偏器的偏振化的方向和检偏器的偏振化的方向为 2 ? 和时，根据马吕斯定23 律I?I0cos?可知，出现两次光强为零的情况，即光电流出现了2次消光现象。 3.自己设计实验进行了几种偏振光的检验的工作，搞清了几种偏振光的区别，以及怎样得到他们。（文章三）：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

11、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

12、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

13、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。 由布儒斯特定律得： 其中 、 分别为两种介质的折射率， 为相对折射率。 如果自然光从空气入射到玻璃表面而反射时，对于各种不同材料的玻璃，已知其相对折射

14、率n的变化范围在1.50到1.77之间，则可得布儒斯特角 约在560600之间。此方法可用来测定物质的折射率。 (2)多层玻璃片的折射。 当自然光以布儒斯特角 入射到由多层平行玻璃片重叠在一起构成的玻璃片堆上时，由于在各个界面上的反射光都是振动面垂直入射面的线偏振光，故经过多次反射后，透出来的透射光也就接近于振动方向平行于入射面的线偏振光。 (3)利用偏振片的二向色性起偏。 将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏。 某些有机化合物晶体具有二向色性，它往往吸收某一振动方向的入射光，而与此方向垂直振动的光则能透过，从而可获得线偏振光。利用这类材料制成的偏振片可获得较大截面积的偏振光束，但由于吸收不完全

15、，所得的偏振光只能达到一定的偏振度。 (4)利用晶体的双折射起偏。 自然光通过各向异性的晶体时将发生双折射现象，双折射产生的寻常光（o光）和非常光（e光）均为线偏振光。o光光矢量的振动方向垂直于自己的主截面；e光光矢量的振动方向在自己的主截面内。方解石是典型的天然双折射晶体，常用它制成特殊的棱镜以产生线偏振光。利用方解石制成的沃拉斯顿棱镜能产生振动面互相垂直的两束线偏振光；用方解石胶合成的尼科耳棱镜能给出一个有固定振动面的线偏振光。 3偏振片、波片及其作用 (1)偏振片 偏振片是利用某些有机化合物晶体的二向色性。将其渗入透明塑料薄膜中，经定向拉制而成。它能吸收某一方向振动的光，而透过与此垂直方

16、向振动的光，由于在应用时起的作用不同，用来产生偏振光的偏振片叫做起偏器；用来检验偏振光的偏振片，叫做检偏器。 按照马吕斯定律，强度为I0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为： I = I0 cos2 式中 为入射偏振光的偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角，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 = 时，透射光强最大；当 =90 时，透射光强为极小值（消光状态），当 t; t;90 时，透射光强介于最大和最小值之间，如图所示表示了自然光通过起偏器与检偏器的变化。 图4 光波的起偏核检偏 根据透射光强度变化的情况，可以区别线偏振光、自然光和部分偏振光。 (2)波片

17、波片是用单轴晶体切成的表面平行于光轴的薄片。 当线偏振光垂直射到厚度为L，表面平行于自身光轴的单轴晶片时，会产生双折射现象，寻常光（O光）和非常光(e光)沿同一方向前进，但传播的速度不同。这两种偏振光通过晶片后，它们的相位差为： 其中， 为入射偏振光在真空中的波长，no和ne分别为晶片对o光和e光的折射率，L为晶片的厚度。 我们知道，两个互相垂直的、频率相同且有固定相位差的简谐振动，可用下列方程表示（如通过晶片后光和光的振动）： 从两式中消去t，经三角运算后得到合振动的方程式为 由此式可知， 1当 时， ，为线偏振光。 2当 时， ，为正椭圆偏振光。在 = 时，为圆偏振光。 3当 为其它值时，

18、为椭圆偏振光。 在某一波长的线偏振光垂直入射到晶片的情况下，能使o光和e光产生相位差 （相当于光程差为 的奇数倍）的晶片，称为对应于该单色光的二分之一波片（1/2波片）或 波片；与此相似，能使o光和e光产生相位差 （相当于光程差为 的奇数倍）的晶片，称为四分之一波片（1/4波片）或 波片。本实验中所用波片（ ）是对 （ 激光）而言的。 如图5所示，当振幅为A的线偏振光垂直入射到1/4波片上，振动方向与波片光轴成 角时，由于o光和e光的振幅分别为A 和A ，所以通过1/4波片合成的偏振状态也随角度 的变化而不同。 图5 1当 = 时，获得振动方向平行于光轴的线偏振光（e光）。 2当 = /4时，

19、获得振动方向垂直于光轴的线偏振光（o光）。 3当 = /2时，Ae=Ao获得圆偏振光。 4当 为其它值时，经过1/4波片后为椭圆偏振光。 所以，可以用1/4波片获得椭圆偏振光和圆偏振光。 【实验内容与步骤】 1起偏与检偏鉴别自然光与偏振光，验证马吕斯定律。 (1) 在光源至光屏的光路上起偏器P1，旋转P1，观察光屏上光斑强度的变化情况。 (2) 在起偏器P1后面再检偏器P2。固定P1的方位,旋转P2 ，旋转3600，观察光屏上光斑强度的变化情况。有几个消光方位？ (3) 以硅光电池代替光屏接收P2出射的光束，旋转P2，记录相应的光电流值，共转900，在坐标纸上作出Icos2关系曲线。 2观测布儒斯特及测定玻璃折射率 (1) 在起偏器P1后，测布儒斯特角的装置，再在P1和装置之间一个带小孔的光屏。调节玻璃平板，使反射的光束与入射光束重合。记下初始角 。 (2) 一面转动玻璃平板，一面同时转动起偏器P1，使其透过方向在入射面内。