现代物理开放性实验  

实 验 报 告

课程名称：     现代物理实验       

实验名称：自然光入射时反射及折射的偏振态 

专    业：                        

学    号：                       

姓    名：                        

实验地点：                         

实验日期： 03月10日 ~ 05月30日 

 [实验目的和要求]

1.了解光偏振态的基本概念；

2.进一步探讨自然光入射时反射及折射的偏振态与入射角度的关系。

[实验器材]

偏振片、   玻璃板 、    分光计 、   检流计 、   波片  、椭偏仪 等

[实验原理和方法]

如图1所示，设两透明各向同性介质的折射率分别为和，入射光的入射角为，折射光的折射角为通常把光波中电矢量垂直于入射面的振动分量称为S分量，平行于入射面的振动分量称为P分量．入射光、反射光及折射光的S分量和P分量分别表示为与、与、与。若规定它们的正方向如图1所示，则它们之间的关系为:

图1   S分量和P分量的正方向

       （1）

         （2）

        （3）

（4）

(1)至(4)式就是菲涅耳公式。它描述了两介质分界面上反射光、折射光与入射光之间振幅、相位及偏振状态的关系。

 探究反射光和折射光的偏振状态

参见图1，设有一束太阳光入射到两介质交界上，人射角为。由于太阳光是自然光，因此入射到两介质交界上的太阳光的电矢量垂直于入射面的分量和平行于入射面的分量的振幅大小相等，即

      (5)

一、反射光的偏振状态

设反射光的电矢量垂直于折射面的分量为，电矢量平行于折射面的分量为。参见图1，由菲涅耳公式(1)、(2)式及(5)式得

     （6）

由(6)式可知，在一般情况下，≠。因此，反射光是部分偏振光。

二、折射光的偏振状态

设折射光的电矢量垂直于折射面的分量为，电矢量平行于折射面的分量为。参见图1，由菲涅耳公式(3)、(4)式及(5)式得

           （7）

由(7)式可知，在一般情况下，≠。因此，折射光也是部分偏振光。

三、思考：

一束自然光入射到两种介质的分界面上，产生反射和折射。一般情况下，反射和折射光是部分偏振光，且反射光中垂直入射面的光振动较强，折射光中平行入射面的光振动较强。但在反射光与折射光中，它们各自的平行入射面的光振动与垂直入射面的光振动振幅之比，亦即其偏振态与入射角之关系如何，应用菲涅耳公式就这一问题进行了讨论。

1 基本原理

一束自然光可以看作两个互相独立、等振幅、振动方向互相垂直的线偏振光。因此，一束自然光以某一入射角入射到界面时，可将其光振动视为垂直入射面与平行入射面的两个等振幅的独立光振动来研究其反射和折射光的偏振行为。设分别表示入射光、反射光、折射光中垂直入射面的光振动振

幅分别表示入射光、反射光、折射光中平行入射面的光振动振幅； 分别表示入射角、反射角与折射角。根据菲涅耳公式。 有

              （1）

                 （2） 

             （3） 

     （4）

对于自然光入射，据前述有，所以(2)式除以(1)式得

       （5）

上式中, 即为反射光中平行入射面与垂直入射面的光振动振幅之比，它反映了反射光的偏振状态。式中负号来源于(1)式，它反映的是

在方向上的关系。在此，我们仅考虑其比值大小而不考虑方向问题。为此，我们取的绝对值来讨论反射光的偏振态。若入射自然光以角入射到折射

率分别为和的两种介质的分界面上，且折射角为，则根据折射定律有，代入上式整理得：

    （6）

同理可得：

  （7）

由(6)、(7)两式，我们便可讨论反射、折射光中平行入射面的光振动振幅与垂直入射面的光振动振幅之比与入射角之关系，亦即反射、折射光的偏振态与之关系。

 [实验步骤]

(1) 用一束自然光由空气以不同入射角θ入射到空气与水、空气与玻璃的分界面上时得到两组数据，。

（2）再用一束自然光由水、玻璃以不同的入射角θ入射到水与空气、玻璃与空气的分界面上时得到另一组数据，。

（3）绘制出四组数据的图形进行比较（取空气、水、玻璃的折射率分别为1  1.32  1.6。

 [实验数据和结果]

 [结论与分析]

(1) 随θ的增大而单调上升，而且这一上升在布儒斯特角两侧无起伏，这与随θ的变化而表现出的类v字型特征曲线形成鲜明的对照。

(2)在随θ变化而呈现出的V字型曲线中，最底部对应布儒斯特角，但在布儒斯特角两侧．不是对称的。为此，可做如下证明：

设为布儒斯特角。如果关于布儒斯特角呈对称关系，据(5)式应有

为使表达式有物理意义的任意角度值。整理上式得

考虑到与的物理意义，为使上式成立只能是=0或=0，而=0意味着入射角、  =0意味着入射角=0。所以上式当在某个范围内变化时显然是不成立的，因此曲线在两侧不是对称的。

[参考文献]

[1]蓝海江。反射光和折射光的偏振状态。广西民族学院学报(自然科学版)，2002，(3)。

[2]赵凯华，钟锡华．光学。北京大学出版社，1984。

[3]姚启钧。光子教程。高等教育出版社，1981。

[4]石顺祥，张海兴，刘劲松。物理光学与应用光学。西安电子科技大学出版杜，2000。

第二篇：物理科学实验报告