光学实验报告

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偏振现象的观察与研究 

【实验目的】

①       观察光的偏振现象，加深对理论知识的理解。

②       了解产生和检验偏振光的原理和方法及使用的元件。

【实验仪器】(名称、规格或型号)

氦氖激光器、偏振片、二分之一波片、四分之一波片、光学平台、照度计、支架等。

【实验原理】

1.       偏振光的基本概念

振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于纵波的一个最明显的标志，只有横波才有偏振现象。光的偏振有5种可能的状态：自然光、部分偏振光、平面偏振光（也称线偏振光）、圆偏振光、椭圆偏振光。振动在垂直于光的传播方向的平面内可取所有可能的方向，而且没有一个方向占优势的光称为自然光，这种光不能直接显示出偏振现象，通常人们又称它为非偏振光。在某一方向振动占优势的光称为部分偏振光。指在某一固定方向振动的光称为线偏振光或平面偏振光。光波电矢量的方向和大小随时间做有规则的改变，当电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈圆形时，称为圆偏振光；呈椭圆形时，称为椭圆偏振光。圆偏振光和椭圆偏振光都可以看作两个振动面相互垂直的、有一定相位差的线偏振光的叠加。

将非偏振光（如自然光）变成偏振光的装置或器件称为起偏器，用来鉴别光的偏振状态的装置或器件称为检偏器。实际上，起偏器也可以用作检偏器。

2.       平面偏振光的产生

产生平面偏振光的方法很多，下面我们主要介绍两种：非金属表面的反射和折射产生平面偏振光，偏振片产生平面偏振光。

1）  非金属表面的反射和折射

光线斜入射非金属表面（如水、玻璃等）时，反射光和透射光都会产生偏振现象，通常都为部分偏振光，且反射光垂直于入射表面的电矢量分量较强，透射光平行于入射面的电矢量分量较强。它们的偏振程度取决于光的入射角及反射物质的性质。当入射角α与反射物质的折射率n满足下面的关系：

                                   ①

时反射光为线偏振光，此称为布儒斯特定律。该入射角称为起偏角或布儒斯特角，如图1（a）所示。根据式①，可以简单地利用玻璃起偏，也可以用于测定物质的折射率。

       非金属表面反射的线偏振光其振动方向总是垂直于入射面；透射光使部分偏振光且平行入射面的振动较强；使用多层玻璃组合成的玻璃堆，能得到很好的透射线偏振光，振动方向平行于入射面。图1（b）是利用玻璃堆产生的线偏振光。

图1      非金属表面的反射和折射（a）、用玻璃堆产生线偏振光（b）

2）  由二向色性晶体的选择吸收产生偏振

有些晶体（如电气石、人造偏振片）对两个相互垂直振动的电矢量具有不同的吸收本领，这种选择吸收性称为二向色性。当自然光通过二向色性晶体时，其中一成分的振动几乎被完全吸收，而另一成分的振动几乎没有损失，因而产生平面偏振光，如图2所示。利用这种材料可制成偏振片。偏振片的特点是允许透过某一电矢量振动方向的光。我们把偏振片上能透过电矢量振动的方向称为它的偏振化方向或透振方向。利用偏振片可以获得截面较宽的偏振光束，而且造价低廉，使用方便，是常用的起偏器。偏振片也可做检偏器用。

图2      由晶体产生偏振

3.       平面偏振光通过检偏器后光强的变化

强度为的平面偏振光通过检偏器后的光强为

                                ②

式中，为平面偏振光的振动面和检偏器的偏振化方向的夹角，式②是1809年马吕斯在实验中发现，称为马吕斯定律。它表示平面偏振光通过检偏器后透射光的强度随角变化的规律。当=0时，=，光强最大；当时，=0，出现消光现象；当为其他值时，透射光介于0与之间。

4.       圆偏振光和椭圆偏振光的产生

如图3所示，当振幅为A的平面偏振光垂直入射到表面平行于光轴的双折射晶片中时，会产生比较特殊的双折射现象。若平面偏振光的振动方向与晶体光轴的夹角α，则在晶片中o光和e光的振幅分别为Asinα和Acosα，它们在晶体中的传播方向一致，但速度不同，因而从晶片出射时会产生相位差

                                ③

式中，表示单色光在真空中的波长，和分别为晶体中o光和e光的折射率，为晶片厚度。

（1）如果晶片的厚度使两束光从晶片出射时产生的相位差，其中k=0,1,2，…，这样的晶片称为波片。平面偏振光通过波片后，透射光一般是椭圆偏振光，当α=时，则为圆偏振光；但当α=0和时，椭圆偏振光都退化为平面偏振光，α=0时出射光为振动方向平行于波片光轴的平面偏振光；α=时，出射光为振动方向垂直于光轴的平面偏振光。由此可知，波片可将平面偏振光变成椭圆偏振光或圆偏振光；反之，它也可将椭圆偏振光或圆偏振光变成平面偏振光。

       （2）如果晶片的厚度使产生的相位差，其中k=0,1,2，…，这样的晶片称为半波片。如果入射平面偏振光的振动面与半波片光轴的夹角为α，则通过半波片后的光仍为平面偏振光，但其振动面相对于入射光的振动面转过2α角。

图3      双折射现象

【实验步骤】

实验准备：
①先将氦氖激光器打开预热一段时间。

②将两个偏振片(为起偏器，为检偏器)放置在氦氖激光器后面，将照度计夹在两个偏振片后方的固定器上。

③调节等高共轴：

将两偏振片靠近氦氖激光器，调节激光器、偏振片、照度计的上下左右方位，使激光垂直从两偏振片中间穿过，并垂直射到照度计正中间。则等高共轴调节完毕。

④调节两个偏振片处于适中位置后，打开照度计开关，即可开始实验。

实验过程：

验证马吕斯定律：

①将照度计选定在“照度”档，量程先选“1”档，精度较大。

②调节偏振片，固定在一个角度上不变。旋转，使正交（注：因为眼睛看的刻度有所误差，所以两偏振片正交时，则照度计所显示的示数最小，此时默认两偏振片正交。），记录下照度计G的示数。

③再以光线传播方向为轴，将检偏器每转10°记录一次照度计的示数，直至转动到90°为止。

④将测量结果记录到表上。

注：1、实验时要注意照度计的量程，时时改变其量程。

2、实验光路图如右图所示：

圆偏振光和椭圆偏振光的产生：

①在验证码吕斯定律的光路基础上，先调节偏振片和的位置使通过的光消失。

②在和之间插入一片1/4波片（注意使光线尽量穿过元件中心）。

③以光线传播方向为轴，仔细调节1/4波片至再次消光（即出射光最小），设定该位置为1/4波片的初始角。

④再以光线传播方向为轴转动检偏器一周，记录观察到的现象，并记录光强的最大值和最小值。

⑤再将从消光位置转过30°、45°、60°、90°，以光线传播方向为轴，每次都将转一周记录观察到的现象，并记录光强最大值和最小值。

⑥将测量结果记录到表上。

注：实验光路图如下图所示：

实验结束：

实验结束，关闭氦氖激光器和照度仪。整理好实验器材，离开实验室。

【数据处理】

一、原始数据表格：

验证马吕斯定律：

                               表一

圆偏振光和椭圆偏振光的产生：

                            表二

二、数据处理：

1）验证马吕斯定律：

当时，                        

当时，                   

当时，                   

当时                      

当时                       

当时                       

当时                       

当时                       

当时                       

当时                        

以为x轴，为y轴，用电脑拟合如下图所示：

图像得出的结论：1、和两者之间的相关系数，说明与线性相关。

2、通过电脑计算出该拟合曲线的公式y = 2485.2x - 7.1973，则K=2485.2，而，则

                  3、存在“-7.1973”是因为实验存在误差。可大致忽略。

则可得出：

即验证了马吕斯定律。

2）检验波片对偏振光的影响：

数据处理及实验结论均在上述表二中体现。

【实验结论】

1、验证马吕斯定律：

通过电脑拟合出来的曲线，可知和两者之间的相关系数，则可得出，即验证了马吕斯定律。

2、圆偏振光和椭圆偏振光的产生：

   ①当波片的转角为和时，转一周透射光强有变化，透射光出现两次消光，两次极大。此时得到的偏振光为线偏振光。

②当波片的转角为和时，转一周透射光强有变化，透射光出现两次极大，两次极小，无消光现象。此时得到的偏振光为椭圆偏振光。

③当波片的转角为时，透射光的光强基本不变，无消光现象。此时得到的偏振光为圆偏振光。

注：实验中存在误差，比如人眼看角度的误差，仪器误差等，使得测得的数据并不是完全符合已知的规律。

【注意事项】

①       激光器需预热半小时。

②       主截面的定位应尽量准确。

③       眼睛会有误差，无法准确判断偏转的角度。

【思考题】

自行设计利用实验数据验证马吕斯定律的方案。

答：利用表一测得的数据。并计算出cos²θ的值，用电脑拟合出以为x轴，为y轴的拟合曲线，并计算出该曲线的相关系数，观察与是否线性相关。若相关系数趋近于1，则可说明与线性相关，并用电脑算出斜率K的值，发现K与基本相等，则与满足，即验证了马吕斯定律。

附原始数据：（务必整张拍下来！要求含学生姓名、实验时间、老师签字！）

第二篇：光偏振现象的研究