偏振光的研究

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一、实验目的：

1.  了解线偏振光的原理；

2.  了解线偏振光的性质；

3.  了解椭圆偏振光的形成原理；

二、实验原理：

改变偏振态的方法和器件

常见的起偏或检偏的元件构成有两种：

1.光学棱镜。如尼科耳棱镜、格兰棱镜等，它是利用光学双折射的原理制成的；

2.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.

马吕斯定律：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I₁ = I₀ cos²α，其中的a是检偏器的偏振方向和入射线偏振光的光矢量振动方向的夹角：

本次实验中我们用两块格兰棱镜充当起偏器和检偏器，通过硅光电池的响应电流检测偏光强度的方法来验证马吕斯定律。

若n₁为空气，则tg i₀ = n₂，这样，当介质折射率一定时，i₀就唯一地被确定。

波晶片：又称位相延迟片，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光多延迟了Δ=2π(n₀-n₁)d/λ，若满足(n_e-n_o)d=±λ/4，即Δ=±π/2我们称之为λ/4片，若满足(n_e-n_o)d=±λ/2，即Δ=±π，我们称之为λ/2片，若满足(n_e-n_o)d=±λ，即Δ=2π我们称之为全波片。

3．借助检偏器和1/4波晶片检验光的5种偏振态

1. 只用检偏器（转动）：

     对于线偏光可以出现极大和消光现象。

     对于椭圆偏光和部分偏光可以出现极大和极小现象。

     对于圆偏光和非偏光各方向光强不变。

2. 用1/4波晶片和检偏器（转动） ：

     对于非偏光（自然光）各方向光强不变。

     对于圆偏光出现消光现象（原因）。

 对于部分偏光仍出现极大和极小现象。

   对于椭圆偏光，当把1/4波晶片的快慢轴放在光强极大位置时出现消光现象。

三、实验内容：

1.

2.

 消光，在第一片偏振片和屏之间加入第二块偏振片，将第一块固定，转动第二块偏振片，观察现象，能否找到一个消光位置，此时两偏振片的位置关系怎样。

答：能，此时两偏振片偏振方向垂直。

3.

 

根据I=I₁cos²acos²b,a为偏振片1和偏振片3的夹角，b为偏振片3和偏振片2之间的夹角，

当cosa和cosb之积不为零时，有光通过三块偏振片。

当第三块偏振片与偏振片1、2平行时，出现消光现象；当其与偏振片1、2同时成45度时光强最大。

原理：圆偏振光与椭圆偏振光通过1/4波片时产生∏/2的相位差，变为线偏振光，当其偏振方向与B偏振方向垂直时出现消光现象。

步骤：在偏振片B前放一1/4波长片，转动B，观察光强变化。

四、思考题：

第二篇：西安交大大物实验偏振光2

偏振光II

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一、实验目的：

本实验主要是利用起偏、检偏元件及光电探测器要求学生：
1． 学习掌握偏振光的基本原理、学会用格兰棱镜获得偏振光及检验偏振光的一般方法。
2． 根据马吕斯定律验证硅光电池的线性响应 。
3． 利用布儒斯特定律测量介质的折射率

二、实验原理：

偏振光原理：

按电磁波理论,光是横波，它的振动方向和光的传播方向垂直.实际中最常见的光的偏振态大体为五种，即自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏娠光和椭圆偏振光．

1. 自然光是各方向的振幅相同的光。对自然光而言，它的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内可取所有可能的方向，没有一个方向占有优势.若把所有方向的光振动都分解到相互垂直的两个方向上，则在这两个方向上的振动能量和振幅都相等。

2． 线偏振光是在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿一个方向振动。起偏器是将非偏振光变成线偏振光的器件；检偏器是用于鉴别光的偏振光状态的器件。常见的起偏或检偏的元件构成有两种：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.

光学棱镜：如尼科耳棱镜、格兰棱镜等，它是利用光学双折射的原理制成的；

3． 部分偏振光：

除了自然光和线偏振光外，还有一种偏振状态介于两者之间的光．如果用偏振片去检验这种光的时候，随着检偏器透光方向的转动，透射光的强度既不象自然光那样不变，又不象线偏振光那样每转90^o。交替出现强度极大和消光．其强度每转90^o也交替出现极大和极小，但强度的极小不是0(即不消光)。从内部结构看，这种光的振动虽然也是各方向都有，但不同方向的振幅大小不同，具有这种特点的光，叫做部分偏损光

4． 圆偏振光

如的光矢量在波面内运动的特点是其瞬时值的大小不变，方向以角速度w(即波的圆频率)匀速旋转，这种光叫做圆偏振光．圆偏振光可看成是两个相互垂直的线偏振光的合成（如图所示）

电矢量表达式为：

我们假定波是沿z轴传播的，在图中它垂直纸面迎面而系．这时若电矢量按逆时针方向旋转，我们称为左旋圆偏振光。若顺时针旋转，称为右旋圆偏振光。

5． 椭圆偏振光
电矢量的端点在波面内描绘的轨迹为一椭圆的光，叫椭圆偏振光。椭圆运动也可看成是两个相互垂直的线偏振光的合成，只是它们的振幅不等，或位相差不等于±π/2。

椭圆长、短轴的大小和取向，与振幅Ax, Ay和位相差 都有关系。可以看出线偏振光和圆偏振光都是椭圆偏振光的特例，常用波晶片把椭圆偏振光转换为线偏振光。

椭圆偏振光退化为圆偏振光的条件是：Ax ＝ Ay 和 ＝±π/2。

椭圆偏振光退化为线偏振光的条件是：Ax ＝ 0，或Ay ＝ 0，或 ＝0，±π。

椭圆偏振光也有左、右旋之分，其定义与前面圆偏振光的定义相同。

波晶片：又称位相延迟片，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光多延迟了Δ=2π(n0-n1)d/λ，若满足(ne-no)d=±λ/4，即Δ=±π/2我们称之为λ/4片，若满足(ne-no)d=±λ/2，即Δ=±π，我们称之为λ/2片，若满足(ne-no)d=±λ，即Δ=2π我们称之为全波片。

布儒斯特定律：

自然光以任意入射角i入射于两种各向同性的透明介质的分界面商。一般情况下，反射光和入射光分别是部分偏振光，垂直于入射面振荡的电矢量在反射光中占主要地位。在入射面上振荡的电矢量在折射光中占主要地位。有一特殊入射角b,当i =b 时，反射光线垂直于折射光线(i +b = π/2)，反射光变成完全偏振光。该现象最早在1815年为布儒斯特所发现，我们称之为布儒斯特定律，b叫做布儒斯特角，满足下列方程：

其中n1，n2是相邻两种媒质的折射率。

本实验用来获得偏振光的仪器叫做格兰棱镜。格兰棱镜是由两面三块方解石棱镜构成的，二棱镜间的空气隙，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。

马吕斯定律：

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I₁ = I₀ cos²α，其中的a是检偏器的偏振方向和入射线偏振光的光矢量振动方向的夹角：

本次实验中我们用两块格兰棱镜充当起偏器和检偏器，通过硅光电池的响应电流检测偏光强度的方法来验证马吕斯定律。

三、实验仪器及使用方法：

半导体激光器，起偏器，检偏器，1/4波片，光电探测器，光电探测器台，光电流放大器，光屏，光具座。

半导体激光器:波长为650nm，出射光为部分偏振光。                       光电探测器台:光电探测器平台上可放置分束板或透明薄片，将激光分为2束，一束用于监测光束变化，另一束用来测量。通过调节分束板或透明薄片的摆放角度，可将激光反射到探测器中用于监测。                                  起偏器、检偏器（偏振片):均为格兰偏振棱镜。棱镜装在镜座内，通过孔径 6mm。偏振棱镜座可以装在360分度盘镜座内，副尺有10个分度。偏振棱镜前表面已与镜座轴线垂直。                                                      1/4波片使用方法与偏振片类似                                           光具座载物台:可以放置透明薄片或分束板，作为分光仪器。读数盘360分度，副尺10个分度。使用方法类似偏振片的使用                               光屏:用于目测观察入射光屏的光强.                                    光电探测器:光电探测器是孔径25mm的硅光电池。                         光电流放大器:光电信号经插头分别输入光电流放大器的"输入1"和"输入2"。经  放大后用微安表显示。光电流放大倍数设计为×1，×5，×10，×100四档。两  个放大器装在同一盒子内，由同一电源供电。

四、实验内容：

根据马吕斯定律测定光电池的线性响应:

马吕斯定律:I=I₀θ,其中θ为起偏器P1后平面偏振光方位与检偏器P2后平面偏振光方位的夹角。

I₁ ，I₂ ：D₁，D₂的光电流读数,                                       θ为起偏器P₁后平面偏振光方位与检偏器P2后平面偏振光方位的夹角。    Φ：P₂盘读数                                                      根据布儒斯特定律测定介质的折射率:                                    利用布儒斯特定律时，只能在入射光为P分量(电矢量平行入射面)时，才能得到反射率为零的布儒斯特角。

根据布儒斯特定律计算样品折射率并测定样品对P分量反射光的反射率随入射角变化

椭圆偏振光实验:

在起偏器和检偏器中间放入1/4波片，转动P₂时，i₂(θ)~θ曲线呈椭圆形，即出射光为椭圆偏振光，当1/4波片光轴与入射偏振平面夹角为45^o时，出射光为圆偏振光，i₂(θ)~θ曲线是圆形。

五、实验数据记录及处理 ：

（1）表一：马吕斯定律测定光电池的线性响应

曲线图见附图。

（2）反射光点最暗时的入射角θb =51.7^o，由布儒斯特定律tanθb=n2/n1,得n2=1.27

(3)表二：样品对P分量反射光的反射率随入射角变化

曲线图见附图。

六、实验结论及误差分析

（1）结论                                               1、根据测量结果，I2/I1与θ呈线性关系，即证马吕斯定理的正确性。            2、实验样品的折射率为1.27                                                       3、p分量的强度反射率是先下降，在某个特殊角度i时降到0，尔后再上升。                 4、在起偏器和检偏器中间放入1/4波片，转动P₂时，i₂(θ)~θ曲线呈椭圆形，即出射光为椭圆偏振光，当1/4波片光轴与入射偏振平面夹角为45^o时，出射光为圆偏振光，i₂(θ)~θ曲线是圆形。                            （2）误差分析                                           1、毫安表精度不够，读数易出现误差。                              2、毫安表换挡时未调零。                                              七、思考题                                                             1. 在两块偏振片处于消光位置，再在它们之间插入第三块偏振片，且第三块偏振片的透光方向与第一块透光方向成45°、30°，哪一次光强大一些？原因是什么？                                                              答：45°时光强大一些，由马吕斯定律得45^o时I₁=1/8 I₀，30°时I₂=3/32 I₀