偏振光实验的报告

偏振光实验的报告偏振光是物理光学的重要内容之一，偏振光的应用已遍及科研生产、工程设计和国防建设等部门。但是，目前在全国各高校的物理实验中，开设偏振光实验的却为数不多，其重要原因是缺乏比较理想的偏振光实验仪器，下面介绍一个在光具座上做偏振光实验的仪器。一、实验仪器设备介绍1．起偏器

2．带小孔光屏3．观测布儒斯特角装置

4．1/4波片及转动装置5．检偏器6．光电转换装置

二、实验观测的内容和指标1．起偏与检偏，鉴别自然光与偏振光根据马吕斯定律，定量观测光电流I（光强）随检偏器转角的变化关系，并求出

关系曲线。2．观测布儒斯特角及玻璃的相对折射率θ根据布儒斯特定律tgφ=n，可定量观测玻璃的布儒斯特角φ0及相对折射n。3．观测椭圆偏振光与圆偏振光根据线偏振光通过波片后，o光和e光产生相位差的原理，可定量观察椭圆偏振光、园偏振光。4．可鉴别椭圆偏振光与部分偏振光，圆偏振光与自然光。三、在光具座上开设偏振光实验的优越性1．常规的偏振光实验一般在“分光计”上进行，而且只可定量观测布儒斯特角，作为一个实验可测量的内容太少；在光具座上利用上述装置可定量观测的实验内容大为扩展和丰富，因此具有多功能特点。2．用“分光计”观测视场小，只限一个人进行，直观性差，在光具座上做偏振光实验，视场不受限制，直观性强，不局限于一人观测，因此有演示实验的特点。3．在“光具座”上开设实验的项目通常比“分光计”少，而光具座又不便于收藏，在光具座上增设偏振光实验，不仅可以解决在分光计上做实验过分集中的矛盾，而且提高了光具座的利用率，同时也填补了不少院校缺少偏振光实验的空白。4．利用光具座开设偏振光实验，需要增填的仪器设备不多，而且花钱也少，符合投资少，收效大的原则。在光具座上开设偏振光实验，已在教学中投入使用，实践证明是比较理想的偏振光实验仪。偏振光的观测与研究一、目的1．观察光的偏振现象，加深对偏振光基本概念的理解。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。5．学习如何确定偏振片的光轴方向。6．学习如何确定波片的光轴方向。二、仪器光具座、激光器（以上由实验室自备，我厂亦可代配）、偏振片、1/4波片、光电转换装置、观测布斯特角装置，白屏、光栏。三、原理根据光的电磁理论知识，光波是电磁波，电磁波是横波。所以光波也是横波，因为在大多数情况下，电磁辐射同物质作用时，起主要作用的是电场，所以常以电矢量作为光波的振动矢量。其振动方向相对于传播方向的一种空间取向称为偏振，光的这种偏振现象是横波的特征。根据偏振的概念，如果电矢量的振动只限于某一确定方向的光，称为平面偏振光，亦称线偏振光；如果电矢量随时间作有规律的变化，其末端在垂直于传播方向的平面上轨迹呈椭圆（或圆），这样的光称为椭圆偏振光（或圆偏振光）；若电矢量的取向与大小都随时间作无规则变化，各方向的取向率相同，称为自然光；若电矢量在某一确定的方向上最强，且各向的电振动无固定相位关系，则称为部分偏振光。偏振光的应用遍及于工农业、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。（一）如何获取偏振光1．非金属镜面的反射，当自然光从空气照射在折射率为n的非金属镜面（如玻璃、水等）上，反射光与透射光都将成为部分偏振光。当入射角增大到某一特定值φ时，镜面反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于入射面，这时入射角φ0称为布儒斯特角，也称起偏振角，由布儒斯特定律得：tgφ0=n

（1）其中，n为折射率。2．当自然光以布儒斯特角入射到迭在一起的多层平行玻璃片上时，经过多次折射后透过的光就近似于线偏振光，其振动在入射面内。如果用偏振片对反射光及透射光加以检验，就可以确定偏振片的光轴方向。3．晶体双折射产生的寻常光（o光）和非常光（e光），均为线偏振光。4．用偏振片可以得到一定程度的线偏振光。（二）偏振片、波片作用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，而透过与此垂直方向振动的光，由于在应用时起的作用不同而叫法不同，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=I0cos2θ

（2）式中θ为入射偏振光偏振方向与检偏器振轴之间的夹角，显然当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度I发生周期性变化。当θ=0°时，透射光强最大；当θ=90°时，透射光强为极小值（消光状态）；当0°<θ<90°时，透射光强介于最大和最小值之间。2．波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，则寻常光（o光）和非常光（e光）沿同一方面前进，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φ为：其中，λ为入射偏振光在真空中的波长，n0和ne分别为晶片对o光e光的折射率，L为晶片的厚度。我们知道，两个互相垂直的、同频率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o光和e光的振动）：从两式中消去t，经三角运算后得到全振动的方程式为：

由此式可知：（1）当φ=2kπ和φ=（2k+1）π（k=0、1、2、……）时，为线偏振光。（2）当φ=（k+）π（k=0、1、2、……）时，为正椭圆偏振光。在AO=Ae时，为圆偏振光。（3）当φ为其它值时，为椭圆偏振光。在某一波长的线偏振光垂直入射于晶片的情况下，能使o光和e光产生相位差φ=（2k+1）π（相当于光程差为λ/2的奇数倍）的晶片,称为对应于该单色光的二分之一波片（λ/2波片），与此相似，能使o光和e光产生相位φ=（2k+1/2）π（相当于光程差为λ/4的奇数倍）的晶片,称为四分之一波片（λ/4波片）。本实验中所用波片（λ/4）是对6328（He-Ne激光）而言的。如图1所示，当振幅为A的线偏振光垂直入射到λ/4波片上，振动方向与波片光轴成θ角时，由于o光和e光的振幅分别为Asinθ和Acosθ，所以通过λ/4波片后合成的偏振状态也随角度θ的变化而不同。（1）当θ=0时，A0=0，获得振动方向平行于光轴的线偏振光。（2）当θ=π/2时，Ae=0，获得振动方向垂直于光轴的线偏振光。（3）当θ=π/4时，Ae=Ao，获得圆偏振光。（4）当θ为其它值时，经过λ/4波片后为椭圆偏振光。（三）椭圆偏振光的测量椭圆偏振光的测量包括长、短轴之比及长、短轴方位的测定。当检偏器方位与椭圆长轴的夹角为φ时,则透射光强为:当φ=kπ时,

当φ=（2k+1）时,

k=0,1,2,3,……则椭圆长短轴之比为椭圆长轴的方位即为Imax的方位。四、偏振光的检验前面曾介绍过5种偏振状况的光，即线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、自然光（非偏振光）和部分偏振光，我们现在说明，利用偏振片和λ/4波片可将5种光完全区分开来。使用一块偏振片就可以将线偏振光从其它4种光中挑选出来，这是因为5种光分别通过偏振片时，在转动偏振片情况下，惟有线偏振光有消光位置（若是理想的偏振片，消光位置即为全暗的位置），其它4种光无消光位置。圆偏振光和自然光分别通过偏振片时，在转动偏振片情况下，二者出射的强度是等强度，而无法区分它们。椭圆偏振光和部分偏振光分别通过偏振片时，在转动偏振片情况下，二者出射的强度时强时弱，也无法区分它们。若将偏振片和λ/4片联合起来使用，则可区分。利用图2的装置，可将圆偏振光和自然光区分开来。若入射光束是圆偏振光，经过λ/4片后成为一线偏振光，此线偏振光再入射至偏振片，在转动偏振片情况下，可以观察到它的出射光强度是变化的，且存在消光位置。若入射光是自然光，经过λ/4后依然是自然光，再入射至偏振片，在转动偏振片情况下，出射光的强度是不变的，无消光位置。要区分椭圆偏振光和部分偏振光，步骤要稍为复杂些，可分以下三个步骤：（1）首先要定出λ/4片的光轴方向（或与光轴垂直方向），用图3的装置可达到此目的。令起偏器和检偏器的透光方向相互平行，然后在它们中间插入λ/4片并转动，在检片器后观察到最大光强时停止λ/4片转动，此时λ/4表面上与起偏器和检片器透光方向平行的方向即为它的光轴方向或与光轴垂直的方向。（2）用偏振片分别定出椭圆偏振光主轴方向（例如光强最大方向，即为长轴方向）和部分偏振光的光强最大值方向。（3）令椭圆偏振光和部分偏振光分别通过λ/4片，并使它们的光强最大方向和λ/4片的光轴方向（或垂直光轴方向）平行，然后通过一检偏器，这样椭圆偏振光经过λ/4后成为一线偏振光，而部分偏振光通过λ/4片后依然为部分偏振光，再通过检偏器，原来的椭圆偏振光有消光位置，而部分偏振光无消光位置，于是将两者区分开来。五、实验内容及步骤（一）鉴别自然光与偏振光1．在光源至光屏的光路上插入起偏器p1，旋转p1，观察光屏上光斑强度的变化情况。2．在起偏器P1后面再插入检偏器P2。。固定P1的方位。旋转P2，，旋转360°，观察光屏上光斑强度的变化情况。有几个消光方式？3．以硅光电池代替光屏接收P2出射的光束，旋转P2，，每转过10°记录一次相应的光电流值，共转180°，在坐标纸上作出I=I0~cos2θ关系曲线。注意事项：（1）硅光电池的输出线接到±50μA表的两接线柱上，当P1、P2光轴平行时光强最大，需调节两接线柱中间的电位器旋钮，使表指针满偏即可，防止电流过大损坏表头。（2）为了避免实测I值与理论值之间的误差，其主要是要求He–Ne激光器的输出功率要比较稳定，测量时间尽量短。（3）如果实验室有低内阻的光点检流计，可以直接替换±50μA表头，提高测量精度。（一）观察布儒斯特角及测定玻璃折射率1．在起偏器P1后，放入测布儒斯特角装置，再在P1和装置之间插入一个带小孔的光屏。调节玻璃平板，使反射光束与入射光束重合。记下初始角φ1。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。反复调节直到反射光消失为止，此时记下玻璃平板的角度φ2，重复测量三次，求平均值。算出布儒斯特角φ0=φ2-φ1。3．把玻璃平板固定在布儒斯特角的位置上，去掉起偏器P1，在反射光束中插入检偏器P2，转P2，观察反射光的偏振状态，确定偏振片的光轴方向。（三）观测椭圆偏振光和圆偏振光1．先使起偏器P1和检偏器P2的偏振轴垂直（即检偏器P2后的光屏上处于消光状态），在起偏器P1和检偏器P2之间插入λ/4波片，转动波片使P2后的光屏上仍处于消光状态。此时，λ/4波片的光轴方向平行与起偏器P1的光轴方向。用硅光电池（及光点检流计组成的光电转换器）取代光屏。2．将起偏器P1转过20°角，调节硅光电池使透过P2的光全部进入硅光电池的接收孔内。再转动检偏器P2，找出最小电流的位置，并计下光电流的数值，重复三次，求平均值。3．转动λ/4，使P1的光轴与λ/4波片的光轴的夹角依次为30°、45°、60°、75°、90°值，在取上述每一个角度时，都将检偏器P2转动一周，观察从P2透出