偏振光分析

实验目的

1. 观察光的偏振现象，熟悉偏振的基本规律。

2. 验证布儒斯特定律，测定玻璃的折射率。

3. 了解产生与检验偏振光的器件，掌握产生与检验偏振光的原理与方法。

实验原理

1. 偏振光的基本概念

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，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。

                  

线偏振光                自然光         部分偏振光          圆偏振光       椭圆偏振光

                                   图1

2. 获得偏振光的常用方法

（1） 反射起偏器（或透射起偏器）

（2） 晶体起偏器

（3） 偏振片（分子型薄膜偏振片）

3. 偏振光的检测

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

根据透射光强度变化的情况，可以区别光的不同偏振状态。

4. 偏振光通过波晶片时的情形

（1） 波晶片

（2） 光束通过波片后偏振态的改变

①各种偏振光垂直入射并经过λ/4波片后偏振状态的 变化情况：

②1/2波片的作用

当以平面偏振光垂直入射到1/2波片上时，如果光振动面与波片光轴成θ角，则通过波片的光仍为平面偏振光，但其振动面转动了二倍θ角，如果θ=45⁰，则出射光的振动面与入射光的振动面垂直。

实验仪器

光学平台及底座、He—Ne激光器（632.8nm）、偏振片（起偏器、检偏器）、可变口径维架、、X轴旋转二维架（两个，波片也需要一个）白屏、1/4、1/2波片各一片、公用底座（波片使用）

实验内容

1. 验证马吕斯定律。

2. 考察平面偏振光通过λ/2波长时的现象。

3. 用波长片产生圆偏振光和椭圆偏振光。

注意事项：

1. 激光束光线集中、亮度大，实验时不可用眼睛直视。

2．偏振片、玻璃片等要轻拿轻放，防止打碎。

3. 所有的镜片、光学表面等应保持清洁、干燥，严禁用手或他物触碰，以免污损。

预习思考题

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？

答：两束光通过晶体后就有位相差

实验数据

表1：验证马吕斯定律数据

正交

表2：平面偏振光通过λ/2波片数据

正交，插入波片后消光

表3：平面偏振光通过λ/4波片数据

正交，插入波片后消光

数据分析

由表1作出出射光功率P与的关系曲线是一直线，验证了。表2表示线偏振光通过λ/2波片后仍是线偏振光但是出射光振动面较入射光振动面转过了角。表3表明当波片位置在30度时，出射光是椭圆偏振光，作出的图形是一花生形椭圆。当波片位置在45度时，出射光是圆偏振光，作出的图形是一近似圆。当波片位置在90度时，出射光是线偏振光，从数据上看满足。

误差分析:

产生误差的主要原因有以下几个方面：①X轴旋转二维架上刻度读数不准确；②波片位不一定在45度角上；③光功率接收仪自身因素使用时间长后读数不稳定和不准确；④电源不稳定使得光功率接收仪读数不稳定和不准确。

实验中现象的分析和处理

正交不能完全消光，实验中当看到光最弱时为正交位置。

其他可研究课题

课后思考题

1. 在确定起偏角时，若找不到全消光的位置，试根据实验条件分析原因。

2.       试说明椭圆偏振光通过 1/4 波片后变成平面偏振光的条件。

答：波片光轴与椭圆偏振光的长轴或短轴一致时，出射光为平面偏振光。

3.       自然光垂直照射在一个 1/4 波片上，再用一个偏振片观察该波片的透射光，转动偏振片 360° ，能看到什么现象？固定偏振片转动 1/4 波片 360° ，又看到什么现象？为什么？

   

第二篇：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   ，， ，若n₁=1（为空气的折射率），则

                 （1）

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（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v_o ,v_e 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)

若满足，即我们称之为片，若满足，即，我们称之为片，若满足，即我们称之为全波片（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波片，旋转起偏器或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]。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1809年发现，完全线偏振光通过检偏器后的光强可表示为

                           （3）

其中的E是检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?），旋转起偏器找到光强最强的位置，记录角度和光强值I_max。再将起偏器旋转90?，记录角度和光强值I_min。根据公式计算激光的偏振度P：

                                   （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?记录一次，直到P₁ 与P₂偏振方向的夹角为-90?，I₀为 P₁ 与P₂偏振方向的夹角为0?时的光强值，作出I/I₀?cos²?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)  -90~0

用Origin线性拟合并分析误差：

2)  0~90

用Origin线性拟合并分析误差：

4、测量布儒斯特角：

Δθ=56º21’≈57º 和理论上基本符合

思考题：

1， 如何利用分光计测量玻璃平板的折射率？写出实验步骤。

取下检偏器P₂将玻璃平板放在载物台的中心，旋转载物台使反射光反射回激光器入射方向（注意此时要锁紧载物台固定螺钉和度盘固定螺钉，松开游标盘固定螺钉），记下游标的刻度，再旋转游标盘使入射角为57?，用一张白纸接受从样品平面反射的光点，调节P₁的角度使光强为最弱，此时从P₁的出射的光矢量的振动方向为平行于入射面的p矢量。旋转游标盘使入射角在57?附近转动找出完全消光的位置，计下此时游标的刻度，这个角度就是布儒斯特角，由布儒斯特定律求出玻璃平板的折射率n。