HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY

物理实验报告

实验题目：       光的偏振实验             

姓       名：                               

物理实验教学中心

实 验 报 告

一、实验题目：光的偏振实验

二、实验目的：

1.学习线偏振光、椭圆偏振光(包括圆偏振光)的获取方法；

2.验证马吕斯定律；

3.学习检验线偏振光、椭圆偏振光(包括圆偏振光)等的实验过程；

4.了解由计算机控制实验的过程。

三、实验仪器：

激光器、起偏器、检偏器、1/4波片、1/2波片、硅光电池。

四、实验原理（原理图、公式推导和文字说明）：

     1.偏振光和自然光

光波是一种横波，它的光矢量是与传播方向垂直的。如果光波的矢量的方向始终不变，只是它的大小随位相改变，这样的光叫线偏振光。光矢量(电矢量)与光的传播方向组成的面称为线偏振光的振动面。如果光矢量的大小保持不变，而它的方向绕传播方向均匀地转动，光矢量末端的轨迹是一个圆，这样的光叫圆偏振光。如果光矢量的大小和方向都在有规律地变化，

 

图24-1  自然光

光矢量末端沿着一个椭圆转动，这样的光叫椭圆偏振光。

从普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光，即具有一切可能的振动方向的许多光波的总和。这样振动是同时存在或迅速而无规则地互相替代的，它的特点是振动方向的无规则性。但就统计规律来说，对于光的传播方向是对称的，在与传播方向垂直的平面上，无论哪一个方向的振动都不比其他方向更占优势(图24-1)。在任何实验中，如果用两个光矢量互相垂直、位相没有关联的线偏振光来代替自然光，而且让这两个线偏振光的强度都等于自然光总强度的一半，可以得到完全相同的结果。因此，自然光可以用相互垂直的两个光矢量表示。这两个光矢量的振幅相同，但位相关系是不确定的、是瞬息万变的，绝不能把这两个光矢量再进一步合成为一个稳定的线偏振光或椭圆偏振光。

 

图24-2  部分偏振光

自然光在传播过程中，由于外界的作用，造成各个振动方向上的强度不等，使某一方向的振动比其他方向占优势，这种光叫部分偏振光。图24-2示意地画出了部分偏振光的强度随光矢量方向的变化。图中光矢量沿垂直方向的振动比其他方向占优势，其强度用I_max表示，光矢量沿水平方向的振动较之其他方向处于劣势，其强度用I_min表示。部分偏振光也可以看作是一个完全偏振光和一个自然光混合组成的，其中完全偏振光的强度I_P=I_max-I_min。在部分偏振光的总强度(I_max+I_min)中，完全偏振光所占的比率P叫做偏振度

(24-1)

    对于自然光，各方向的强度相等，I_max=I_min,P=0；对于完全偏振光，I_P=I_总，P=1；其他情形下的P值都比1小。偏振度的数值愈接近1，光束的偏振化程度就愈高。

2.椭圆偏振光

在直角坐标系中，将椭圆偏振光的光矢量端点的轨迹用方程表示，则为

 (24-2)

式中，E_x和E_y分别为光矢量E在x和y方向的分量

E_x=a₁cosωt

E_y=a₂cos(ωt+δ)(24-3)

一般说来，方程式(24-2)是椭圆方程式，表示光矢量末端的轨迹为一椭圆。这椭圆内接于一长方形，长方形各边与坐标轴平行，边长为2a₁和2a₂(图24-3)。可以证明，椭圆的长轴和x轴的夹角由下式决定

 (24-4)

式中，δ是振动方向平行于y轴的分量与振动方向平行于x轴的分量的位相差。

图24-4是根据式(24-2)画出的与几种不同δ值相对应的偏振椭圆的形状，

可见椭圆的形状由相差δ和振幅比a₂/a₁决定。在两种特殊情况下，电矢量的运动沿直线进行，因而光波为线偏振光。这两种特殊的情况是：

(1)δ＝0或±2π的整数倍，这时式(24-2)化为

 (24-5)

表示电矢量的运动沿着一条经过坐标原点而斜率为a₂/a₁的直线进行，如图24-4(a)所示。

图24-3  椭圆偏振光轨迹

图24-4  不同δ值的偏振椭圆

(2)δ=±π的奇数倍，这时式(24-2)化为

 (24-6)

表示电矢量的运动沿着一条经过坐标原点而斜率为-a₂/a₁的直线进行，如图24-4(e)所示。

还必须指出，当δ=±π2和它们的奇数倍时，式(24-2)化为

 (24-6)

这是一个标准的椭圆方程，表示一个长短轴a₁，a₂与坐标轴x,y重合的椭圆，如图24-4(c)。若在这种情况下同时有a₁=a₂=a，则由式(24-6)得到

(24-5)

表示电矢量末端的运动描成一个圆，即为圆偏振光。

图24-5  装置图

3.波片

如图24-5所示，由起偏器获得的线偏振光垂直入射到由双折射晶体制成的平面平行薄片上，晶片的光轴与其表面平行，设为y轴方向。这时入射的线偏振光分解为O光和e光，它们的电矢量分别沿x轴和y轴。习惯上把两轴中的一个称为快轴，另一个称为慢轴，意即电矢量沿着快轴的那束光传播得快，光矢量沿着慢轴的那束光传播的慢。由于这两束光在晶片中的传播速度不同，经过晶体后两者之间产生了一定的位相差。设晶片厚度为d，在晶片中O光的光程是n_od,e光的光程是n_ed，两者的光程差是

Δ=｜n_o-n_e｜d

位相差是

δ=2πλ｜n_o-n_e｜d

这种能使光矢量互相垂直的两束线偏振光产生相移的晶片叫做波片或移相片。

(1)14波片

如果波片产生的光程差

Δ=｜n_o-n_e｜d=(m+1/4)λ

式中m为整数。这样的波片叫做1/4波片。当入射的线偏振光的光矢量与波片的快轴成±45°角时，通过1/4波片后得到圆偏振光，否则将有可能得到椭圆偏振光或线偏振光(当与快轴或慢轴相一致时)。

图24-6  波片

(2)12波片

如果波片产生的光程差

Δ=(m+1/2)λ

式中m为整数。这样的波片叫半波片或1/2波片。圆偏振光通过半波片后仍为圆偏振光，但旋向改变；线偏振光通过半波片后自然是线偏振光，但光矢量的方向改变。设入射的线偏振光的光矢量与波片的快轴(或慢轴)的夹角为α，通过晶片后光矢量向着快轴方向转了2α角(图24-6)。

五、实验内容与操作要点

本实验是由计算机控制和采集数据的。其目的是使大家对计算机控制物理实验的过程有个基本的了解，因为这种技术已在科学研究与生产实际中应用得很普遍了。

1.验证马吕斯定律

图24-7  验证马吕斯定律实验装置图

实验装置如图24-7所示。首先放置好半导体激光器和光电池盒，调节等高共轴。

(1)在激光器后放入起偏器(手动)，点击菜单上的启动图标，随即在工作区中开始绘出一条曲线。由于半导体激光器输出的激光是偏振的，所以改变起偏器的通光方向，就会使光强变化。转动起偏器，调节曲线的高度，至曲线较高，但不到1，不能使之饱和。

(2)在起偏器和光电池盒之间，靠近后者放置检偏器。选中与检偏器相连电机的图标。启动，画出一条曲线。选取“数据处理”菜单中的“读取数据”项，系统弹出一读数标志红线和角度-光电流数据显示窗，利用键盘上的箭头键移动红线至光电流值最大处。读出相应角度。利用“角度检索”功能(点击相应图标)，输入对应于光电流最大处的角度数，确认后即可将此角位置移动至坐标原点。再启动检偏器，测出曲线(0°～180°)。读出90°～0°间每隔10°的角度θ和相应光电流数据I。在坐标纸上画出I/I₀-cos²θ曲线。由实验曲线验证马吕斯定律，给出验证的结论。

2.波片对偏振光的作用

(1)在前面的实验装置上，转动检偏器使系统消光。放入1/4波片，并启动相应电机转动波片，使系统重新消光。这表明波片并没有对偏振光系统起作用，此时必定是波片的某光轴与线偏振光的振动面(起偏器的通光方向)夹角为0°。

(2)通过“角度检索”依次转动波片，使其光轴与原线偏振光的振动面(起偏器的通光方向)夹角为0°，30°和45°，每次都转动检偏器分别测出相应的曲线。根据这些曲线的形状，判断线偏振光通过1/4波片后变成了哪种偏振光，并归纳出1/4波片对偏振光作用的一般性结论。

(3)将1/4波片替换为1/2波片，采用同样的实验方法，测定1/2波片光轴与线偏振光的振动面夹角分别为0°和45°时的曲线，并以此判断线偏振光通过1/2波长后发生了什么变化，归纳出1/2波片对偏振光作用的一般性结论。

六、实验数据处理（整理表格、计算过程、结论）：

1. 验证马吕斯定律：

2. 波片对偏振光的作用

   （一） 1/4波片

            波片光轴与原线偏振光的振动面夹角为30⁰

      波片光轴与原线偏振光的振动面夹角为45⁰

（一） 1/2波片

            波片光轴与原线偏振光的振动面夹角为0⁰

波片光轴与原线偏振光的振动面夹角为45⁰

七、总结及可能性应用（误差分析、收获、体会及本实验的应用）：

1. 线偏振光经过偏振片后,其输出的光强与偏振方向和偏振片的方向夹角的余弦平方成线性关系

2. 当入射的线偏振光的光矢量与1/4波片的快轴成±45°角时，通过1/4波片后得到圆偏振光；而当入射的线偏振光的光矢量与1/4波片的快轴成±30°角时，通过1/4波片后得到椭圆偏振光。

3. 线偏振光通过半波片后仍然是线偏振光，但光矢量的方向改变。设入射的线偏振光的光矢量与波片的快轴(或慢轴)的夹角为α，通过晶片后光矢量向着快轴方向转了2α角。当入射的线偏振光的光矢量与波片的快轴(或慢轴)的夹角为45⁰，通过晶片后光矢量向着快轴方向转了90⁰角。

第二篇：偏振光分析试做报告

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？