偏 振 光 的 研 究

班级：物理实验班21

学号：***

姓名：***

光的偏振现象是波动光学的一种重要现象，它的发现证实了光是横波，即光的振动垂直于它的传播方向。光的偏振性质在光学计量、光弹技术、薄膜技术等领域有着重要的应用。

一．实验目的：

1.了解产生和检验偏振光的原理和方法；

2.了解各种偏振片和波片的作用。

二．实验装置；

计算机，格兰陵镜，1/2、1/4波片，调节支架，光电接

系统，激光器。

三．实验原理：

1.偏振光的概念和基本规律

（1）偏振光的种类

光波是一种电磁波，根据电磁学理论，光波的矢量E、磁矢量H和光的传播方向三者相互垂直，所以光是横波。通常人们用电矢量E代表光的振动方向，而电矢量E和光的传播方向所构成的平面称为光波的振动面。

普通光源发出的光是由大量原子或分子的自发辐射所产生的，它们所发射的光的电矢量在各个方向振动的几率相同，称为自然光。电矢量的振动方向始终沿某一确定方向的光，称为线偏振光或平面偏振光。若电矢量在各个方向都振动，但在某个固定方向占绝对优势，这种光称为部分偏振光，电矢量的末端在垂直于光传播方向的任一平面内做椭圆（或圆）运动的光，称为椭圆（或圆）偏振光。各种偏振光的电矢量E如图1所示，注意光的传播方向垂直于纸面。

（2）偏振光、波片和偏振光的产生

通常的光源都是自然光，研究光的偏振性质，必须采用一些物理方法将自然光变成偏振光，这一转变过程称为起偏，获得线偏振光的器件称为起偏器。线偏振光可用人造偏振片获得，如：某些有机化合物晶体具有二向色性，用这些材料制成的偏振片，能吸收某一方向振动的光，与此方向垂直振动的光则能通过，从而产生线偏振光；还可以利用光的反射和折射起偏的平行玻璃片堆；利用晶体的双折射特性起偏的尼科尔棱镜等。

椭圆偏振光、圆偏振光可用波片来产生，将双折射晶体割成光轴与表面平行的晶片，就制成波片了。当波长为λ线偏振光垂直入射到厚度为d波片时，线偏振光在此波片中分成o光和e光，

二者的电矢量E分别垂直于和平行于光轴，它们的传播方向相同，但在波片中的传播速度v0、ve却不同。如图2所示。因此折射率n0=c/v0、ne=c/ve是不同的，于是，通过波片后，o光和e光的相位差ΔΦ和光程差δ分别为Δφ=2Π（n0-ne）/λ,δ=(n0-ne)d能产生光程差为λ/2的波片称为λ/2波片（或半波片），能产生光程差为λ/4的波片称为λ/4波片。

从波片透射出来的o光和e光将会复合在一起，并呈现不同的偏振状态。线偏振光通过全波片后，透射光仍是线偏振光；线偏振光以а角通过λ/2波片后，仍是线偏振光，但偏振面转过2а角（а为入射光振动面与波片光轴的夹角）；线偏振光以а角通过λ/4波片后，透射光一般为椭圆偏振光；但当а=0或Π/2时，透射光仍是线偏振光；当а=П/4时，透射光为圆偏振光。

（3）偏振光的检验

鉴别偏振光的偏振状态的过程称为检偏，检偏装置称为检偏

器。实际上检偏器和起偏器是通用的，例如，把偏振片用于起偏就是起偏器，用于检偏就是检偏器。

线偏振光通过检偏器后，透射光的光强遵守马吕斯定律。设强度为I0的线偏振光垂直入射到一个理想的偏振片（检偏器）上，如图3所示，则透射光的光强为（不计光吸收）

I=I0cos2θ

式中θ为线偏振光的振动方向与偏振片偏振化方向之间的夹角。显然转到检偏器时，透射光的强度I将发生周期性变化。当θ=0º时，透射光强最大；当θ=90º时，透射光强最小（消光状态），接近全暗；当0º＜θ＜90º时，透射光强度介于最大值与最小值之间。

把偏振光和λ/4波片结合起来，可以把自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光区分开来。

四．实验内容：

1.设计并写出：由自然光分别产生线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光的实验方案。

实验方案：让自然光通过一偏振片就很容易得到线偏振光；让通过偏振片得到的线偏振光以а角通过λ/4波片后，当а角为一般角度时，便得到椭圆偏振光；当а=0或П/2时，得到的依然是线偏振光；当а=П/4时，得到圆偏振光。于是，线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光就都得到了。

2.写出：鉴别线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光的实验方案和根据。

实验方案：将得到的偏振光再次通过一偏振片，通过旋转

该偏振片一周，观察计算机上显示的光强的变化曲线来判断是哪种类型的偏振光。

根据马吕斯定律，旋转偏振片一周后，线偏振光会产生消光的现象，圆偏振光的光强会是一个稳定值，即各个方向的光强基本保持不变，而椭圆偏振光则介于两者之间，即不会产生消光的现象，各个方向的光强也不会相同。

3.布置及调整实验光路，分别产生和鉴别三种偏振光。

五．实验结果：

按照光路图搭建好实验光路后，通过旋转λ/4波片到一定角度，然后让第二个偏振片自动旋转一周记录下对应角度的光强，可以在计算机上绘制出不同的光强随偏振片角度变化的曲线。经过一次又一次的尝试，我们小组最终的结果还比较令人满意，最难实现的圆偏振光我们基本上得到了。

六．心得体会：

通过这次实验，我学会了如何产生和鉴别线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光，对这三种偏振光有了更加深刻的认识，同时我也体会到了光学仪器是很矫情的，稍微不注意就可能使实验结果产生相当大的偏差，这在产生圆偏振光的过程中我有深刻的体会。

第二篇：偏振光实验报告

实 验 报 告

姓 名：**

班 级：

学 号：**

实验成绩：

同组姓名：**

实验日期：20**-3-3

指导老师：助教10

批阅日期：

偏振光学实验

【实验目的】

1. 观察光的偏振现象,验证马吕斯定律

2. 了解1/2波片,1/4波片的作用

3. 掌握椭圆偏振光,圆偏振光的产生与检测.

【实验原理】

1． 光的偏振性

光是一种电磁波，由于电磁波对物质的作用主要是电场，故在光学中把电场强度E 称为光矢量。在垂直于光波传播方向的平面内，光矢量可能有不同的振动方向，通常把光矢量保持一定振动方向上的状态称为偏振态。如果光在传播过程中，若光矢量保持在固定平面上振动，这种振动状态称为平面振动态，此平面就称为振动面（见图１）。此时光矢量在垂直与传播方向平面上的投影为一条直线，故又称为线偏振态。若光矢量绕着传播方向旋转，其端点描绘的轨道为一个圆，这种偏振态称为圆偏振态。如光矢量端点旋转的轨迹为一椭圆，就成为椭圆偏振态（见图2）。

 　　　　　　　　　　

2．偏振片

  　虽然普通光源发出自然光，但在自然界中存在着各种偏振光，目前广泛使用的偏振光的器件是人造偏振片，它利用二向色性获得偏振光（有些各向同性介质，在某种作用下会呈现各向异性，能强烈吸收入射光矢量在某方向上的分量，而通过其垂直分量，从而使入射的自然光变为偏振光介质的这种性质称为二向色性。）。偏振器件即可以用来使自然光变为平面偏振光——起偏，也可以用来鉴别线偏振光、自然光和部分偏振光——检偏。用作起偏的偏振片叫做起偏器，用作检偏的偏振器件叫做检偏器。实际上，起偏器和检偏器是通用的。

3.马吕斯定律

　　设两偏振片的透振方向之间的夹角为α，透过起偏器的线偏振光振幅为，则透过检偏器的线偏振光的振幅为A，A=，强度　I=　，I==　　　　　　　　　　= 式中为进入检偏器前（检偏器无吸收时）线偏振光的强度。

　　　这就是１８０９年马吕斯在实验中发现的，所以称马吕斯定律。显然，以光线传播方向为轴，转动检偏器时，透射光强度Ｉ将发生周期变化。

　　　

若入射光是部分偏振光或椭圆偏振光，则极小值部位０。若光强完全不变化，则入射光是自然光或圆偏振光。这样，根据透射光强度变化的情况，可将线偏振光和自然光和部分偏振光区别开来。

4．椭圆偏振光、圆偏振光的产生；1/2波片和1/4波片的作用

　当平面偏振光同过1/2波片后，产生的仍是平面偏振光，但它与原入射光的夹角为2 （为入射光振动面与波片光轴的夹角，下同）；

当平面偏振光同过1/4波片后，产生偏振光的性质与

 = 0时：出射光为振动方向平行1/4波片光轴的平面偏振光。

 =时：出射光为振动方向垂直1/4波片光轴的平面偏振光。

 =时：出射光为圆偏振光。

为其他值时，出射光为椭圆偏振光。

我们使平面偏振光通过1/2波片，1/4波片，产生各种性质的偏振光，来研究它们的性质以及它们之间的关系。

原始数据记录表

1验证马吕斯定律

偏振片初始角度为218度

从表中可知,当偏振片角度余弦的平方值相同时,光电流值也基本保持相同,这就说明光电流值与偏振片角度余弦的平方值相关。下面我们取表格中的前一半数据(即一组不同的角度和其对应得光电流值作图)，来观察其关系

　　

从图中可见，光电流强度与角度余弦值的平方成线形关系，这也就验证了马吕斯定律。

2.线偏振光通过1/2波片时的现象和1/2波片的作用

由此可见,为达到消光,检偏器转过角度与1/2波片转过角度保持一致。

而若检偏器固定,将1/2波片转过360度,会观察到两次消光；同样地,若1/2波片固定,将检偏器转过360度,同样会观察到两次消光。由此可见,线偏振光通过1/2波片后,它仍是线偏振光,只是发生了角度的改变而已。

3．用1/4 波片产生圆偏振光和椭圆偏振光。

波片转20度时

下面通过作图，来观察二者的关系

波片转45度时

此图像与圆偏振光比较可知，1/4波片转角为  时，产生的是圆偏振光。

将此图像与上一图像进行比较，即将1/4波片转20度与转40度时的图像进行比较：可知45度时光电流强度的最大值较小，最小值较大，最大值与最小值之差减小了。而且45度与20度时产生极值的角度值发生了变化。这些都是由于1/4波片角度发生了改变，使合成的偏振状态也发生了改变。

【分析讨论】

1． 实验中获得的数据与理想情况还是有一定的误差。因为在实验室中，许多组实验在同时进行，光是很敏感的，自己的仪器受其他实验产生的光的影响还是很大的。我们在实验尽量挡住其他方向来的光，这样使实验结果趋于理想。

2． 关于实验中零点的取值：我们在实验中发现有连续的好几个数据点的值都是0，这样就不好选取0点，所以就大致取中间的一个数据点作为0点，最后统计数据时发现有时这个0点的选取还是有偏差的，所以在实验报告中对个别零点进行了调整。

【思考题】

1.答：当时，透射光是入射自然光强的1/3；

当时，透射光是最大透射光强的1/3，因为最大透射光强就 是入射自然光强。

2.答：在相互正交的偏振片和中间插进一块1/4波片，使其光轴跟起偏器的光轴平行，那么透过起偏器的光斑是暗的,因为通过后的出射光为振动方向平行1/4波片光轴得平面，即平行于的光轴。将转动90度后，光斑变成亮的，因为这时的光轴与的光轴也平行了。

3.答：在第二题中如果用1/2波片代替1/4波片，结果是相同的。