偏振光实验报告5326

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1、实 验 报 告 学生姓名： 学 号： 指导教师： 实验地点： 实验时间： 一、实验室名称：偏振光实验室 二、实验项目名称：偏振光实验 三、实验学时： 四、实验原理： 光波的振动方向与光波的传播方向垂直。自然光的振动在垂直与其传播方向的平面内，取所有可能的方向；某一方向振动占优势的光叫部分偏振光；只在某一个固定方向振动的光线叫线偏振光或平面偏振光。将非偏振光（如自然光）变成线偏振光的方法称为起偏，用以起偏的装置或元件叫起偏器。 （一）线偏振光的产生 1非金属表面的反射和折射 光线斜射向非金属的光滑平面（如水、木头、玻璃等）时，反射光和折射光都会产生偏振现象， 偏振的程度取决于光的入射角及反射物质

2、的性质。 当入射角是某一数值而反射光为线偏振光时，该入射角叫起偏角。起偏角的数值与反射物质的折射率n的关系是：ntan （1） 称为布如斯特定律，如图 1 所示。根据此式，可以简单地利用玻璃起偏，也可以用于测定物质的折射率。从空气入射到介质，一般起偏角在 53 度到 58 度之间。 非金属表面发射的线偏振光的振动方向总是垂直于入射面的； 透射光是部分偏振光； 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的。 图 1 图 2 2偏振片 分子型号的偏振片是利用聚乙烯醇塑胶膜制成， 它具有梳状长链形结构的分子， 这些分子平行地排列在同一方向上。 这种胶膜只允许垂直于分子

3、排列方向的光振动通过， 因而产生线偏振光，如图 2 所示。分子型偏振片的有效起偏范围几乎可达到 180 度，用它可得到较宽的偏振光束，是常用的起偏元件。 图 3 鉴别光的偏振状态叫检偏， 用作检偏的仪器叫或元件叫检偏器。 偏振片也可作检偏器使用。自然光、部分偏振光和线偏振光通过偏振片时，在垂直光线传播方向的平面内旋转偏振片时，可观察到不同的现象，如图 3 所示，图中()表示旋转 P，光强不变，为自然光； （b）表示旋转 P，无全暗位置，但光强变化，为部分偏振光； （c）表示旋转 P，可找到全暗位置，为线偏振光。 （二）圆偏振光和椭圆偏振光的产生 线偏振光垂直入射晶片，如果光轴平行于晶片的表面，

4、会产生比较特殊的双折射现象。这时，非常光e和寻常光o的传播方向是一致的，但速度不同，因而从晶片出射时会产生相位差 dnne)(200 （2） 式中0表示单色光在真空中的波长，on和en分别为晶体中o光和e光的折射率，d为晶片厚度。 1如果晶片的厚度使产生的相位差1(21)2k，k=0，1，2，这样的晶片称为 1/4 波片，其最小厚度为0min4()oednn。线偏振光通过 1/4 波片后，透射光一般是椭圆偏振光； 当=/4 时， 则为圆偏振光； 当0或/2 时， 椭圆偏振光退化为线偏振光。由此可知，1/4 波片可将线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线偏振光

5、。 2如果晶片的厚度使产生的相差) 12(k，k=0，1，2，这样的晶片称为半波片，其最小厚度为0min2()oednn。如果入射线偏振光的振动面与半波片光轴的交角为，则通过半波片后的光仍为线偏振光，但其振动面相对于入射光的振动面转过2角。 3 如果晶片的厚度使产生的相差2k，k=1，2，3，这样的晶片称为全波片，其最小厚度为0minoednn。从该波片透射的光为线偏振光。 （三）线偏振光通过检偏器后光强的变化 强度为0I的线偏振光通过检偏器后的光强I为 20cosII （3） 式中，为线偏振光偏振面和检偏器主截面的夹角， （3）式为马吕斯（Malus）定律，它表示改变角可以改变透过检偏器的光

6、强。 当起偏器和检偏器的取向使得通过的光量极大时，称它们为平行（此时= 00） 。当二者的取向使系统射出的光量极小时，称它们为正交（此时= 900） 。 （四）布儒斯特角 光线斜射向非金属介质的表面，当入射角是某一数值时，其反射光为线偏振光，该入射角叫起偏角，又称布儒斯特角。 以自然光入射两种介质的界面，其反射光和折射光通常都是部分偏振光。 五、实验目的： （一）理解光的各种偏振特性； （二）学会鉴别圆偏振光、线偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光； （三）验证马吕斯定律； （四）通过测布儒斯特角求材料的相对折射率。 六、实验内容： （一）观察起偏和消光现象； （二）鉴别圆偏振光、线偏振光、椭圆偏振

7、光和部分偏振光； （三）验证马吕斯定律； （四）了解 1/4 波片和 1/2 波片的作用； （五）通过测布儒斯特角求材料的相对折射率。 七、实验器材（设备、元器件） ： 半导体激光器 1 个，具有测量垂直旋转角度功能的偏振片 2 个、1/4 波片 1 个和 1/2 波片 1 个，带底座玻片 1 个，布儒斯特角专用旋转工作台和转动支架 1 个，普通光具座若干，光学导轨（两组合用）1 条，光强传感器和相对光强测量仪 1 套。 八、实验步骤： 进行以下操作时，应保证激光束与光学导轨平行，且激光束垂直穿过所有镜片的圆心，到达传感器的中心。 （一）观察起偏和消光现象。 1起偏：将激光投射到屏上，在激光束

8、中插入一偏振片，使偏振片在垂直于光束的平面内转动，观察透过光强的变化，并据此判断激光束（光源）的偏振情况。 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 12/nntg（二）验证马吕斯定律 数据记录表见表 1 1。首先在光源后放上 P1，使激光束垂直通过 P1中心，旋转 P1使光强最强（光电流的读数应在 200 1500 之间） ，记下 P1的角度坐标，再在 P1之后加入 P2，使光线垂直通过 P2中心，旋转 P2到透过之光最强，记下 P2的度数，此时 P1和 P2的夹角为=0或 180，保持 P1不

9、动，旋转 P2，每隔 10记录一次对应的光强值I，直到旋转 180。注意光强测试仪的读数与光强成线性关系，但没有定标， I不代表绝对光强，可以不写单位。 （三）1/4 波片和 1/2 波片的作用 11/4 波片的作用： 数据记录及分析表见表 1 2。保持 P1不动，记下 P1的度数，旋转 P2到看到消光现象，记下 P2的度数，然后在 P1、P2之间插入 1/4 波片 C1，并使 C1转动到再次出现消光现象，记下此时 C1的度数，然后使 C1由消光位置分别再转过 15、30、45、60、75、90时，每次都将 P2逐步旋转 360，观察其间光强的变化情况，试问能看到几次光强极大和极小的现象各次之

10、间有无变化为什么并说明各次由 C1透出光的偏振性质。 21/2 波片的作用 数据记录表见表 1 3。保持 P1不动，记下 P1的度数，旋转 P2到看到消光现象。 （1）在 P1和 P2之间插入一个 1/2 波片，将此波片旋转 360，能看到几次消光 （2）将 1/2 波片任意转过一个角度，破坏消光现象，再将 P2旋转 360，能看到几次消光 （3）改变 1/2 波片的光轴与激光通过 P1后偏振方向之间夹角的数值，使其分别为15、 30、 45、 60、 75、 90， 把 P2旋转 360寻找消光位置， 记录相应的角度p2，解释上面实验结果，并由此总结出 1/2 波片的作用。 （四）通过测布儒

11、斯特角求材料的相对折射率 要测量玻璃的相对折射率，首先要测出空气中平面玻璃的布儒斯特角。为此，必须在光具座上安装旋转工作台和转动支架。参考图1 1，具体步骤如下： 1在光具座上装一个移动座，其后再放入专用移动座，并把旋转支架装到专用移动座上，再把旋转工作台装入到专用移动座上，把接收屏装入旋转支架的末端，把偏振片装在工作台与接收屏之间。 2在移动座上装上光源。并调整反射光、偏振片光轴、接收器光轴在同一平面内。 3将平面玻璃样品置于旋转工作台中心，并使反射面通过旋转中心，并用压片把样品砖固定。使反射面垂直于入射光，读下此时工作台度数io。 转动载物台以改变入射角， 致使反射光为线偏振光， 即旋转接

12、收屏前的偏振片时会出现消光现象，读下此时旋转工作台的度数i1，记录到表 1 4。重复 3 次，取i1平均值。 P2 i0 i0 光源接收屏 图 1 1. 测量布鲁斯特角 40iiil，i为所测得布儒斯特角。由此公式求出相对折射率： tgi=n2/n1 n2=n1tgi 式中 n2为要求的相对折射率， n1为空气的折射率，值为 1。 （n1是多少位有效数字） 九、实验数据及结果分析： （一）观察起偏和消光现象 （1）起偏：在激光束中插入一偏振片，3600旋转偏振片，观察透过光强几乎看不出明暗变化，根据光源判断已起偏得到偏振光。 （2）消光：在第一片偏振片和屏之间加入第二块偏振片，3600转动第二

13、块偏振片，观察透过光强有 2 次消光，2 次最强的现象，在消光位置，此时两偏振片的位置相互垂直。 （二）验证马吕斯定律 P1=_3020_， P2=_3450_ P1和 P2之间的夹角 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 光电流I 797 780 743 693 630 534 413 240 83 8 P1和 P2之间的夹角 100 110 120 130 140 150 160 170 180 光电流I 30 130 310 470 574 667 731 768 785 计算 cos2值 P1和 P2之间的夹角 0 10 20 30 40 50 60 70 80 9

14、0 光电流I 797 780 743 693 630 534 413 240 83 8 cos cos2 绘制出I和Icos2曲线图，并分析曲线的含义。 光电流I和 P1和 P2之间的夹角的关系图 从图中可以看出光电流I随着有小变大其值由最大变为零又变为最大，变化形式为余弦函数关系。 光电流I与 cos2关系图 由2cosI可知道2cos与I成线性关系。 （三）1/4 波片的作用 oP01 oP5 .922 oC9041波片 1C由消光位置分别再转过 o0 o15 o30 o45 o60 o75 o90 /度 I I I cos2 2P旋转o360光强几次极大,几次极小 各 2 次 各 2 次

15、 各 2 次 0 次 各 2 次 各 2 次 各 2 次 各次之间光强变化明显程度 很明显 较明显 不明显 无变化 不明显 较明显 很明显 1C透出光的偏振性质 线偏振 椭圆 椭圆 圆偏振 椭圆 椭圆 线偏振 总结 1/4 波片的作用： 答：1/4 波片可将线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线偏振光 （四）1/2 波片的作用 1 在 P1和 P2之间插入一个 1/2 波片， 将此波片旋转 3600， 能看到几次消光请加以解释。 答：能看到四次消光。如果入射线偏振光的振动面与半波片光轴的交角为，则通过半波片后的光仍为线偏振光，但其振动面相对于入射光的振动面转

16、过2角。 2将 1/2 波片任意转过一个角度，破坏消光现象，再将 P2旋转 3600，又能看到几次消光为什么 答：能看到两次消光。如果入射线偏振光的振动面与半波片光轴的交角为，则通过半波片后的光仍为线偏振光，但其振动面相对于入射光的振动面转过2角。 3改变 1/2 波片的快（或慢）轴与激光振动方向之间夹角的数值，使其分别为 150、300、450、600、750、900，旋转 P2到消光位置，记录相应的角度p2。 表 1 3 1/2 波片数据记录表 P1=_360_， P2=_1260_， 1/2 波片 C2=_950_ 0 15 30 45 60 75 90 P2所在的消 光位置P2 ： (

17、位置 1) (位置 2) 1260 3020 1560 3320 1840 50 2150 350 2450 640 2740 930 3030 1250 解释上面实验结果，并由此总结出 1/2 波片的作用。 答： 如果入射线偏振光的振动面与半波片光轴的交角为， 则通过半波片后的光仍为线偏振光，不改变入射光的偏振性质，但其振动面相对于入射光的振动面转过2角。 （五）通过测布儒斯特角求材料的相对折射率 测量次数 1 2 3 io i1 i= i1- io 由公式 i=i1- io和 tgi=n2/n1，求材料的相对折射率和相对误差。 03215 .560 .566 .570 .56iiii 玻璃

18、材料折射律： 2156.51.51ntgitgitgn 相对误差：%5 . 3%10045845. 145845. 1-51. 1%100-E2标标测nnnn 十、实验结论： 1、本实验通过偏振片观察到了起偏和消光现象。 2 掌握了 1/4 波片的作用： 线偏振光通过 1/4 波片后， 投射光一般是椭圆偏振光； 当=/4时则为圆偏振光；=0 或/2 当时，椭圆偏振光退化为线偏振光。由此可知，1/4 波片可将线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线偏振光。 3掌握了 1/2 波片的作用：由实验数据可以看出：如果入射线偏振光的振动面与波片光轴的交角为，则通过半

19、波片后的光仍为线偏振光，但其振动面相对于入射光转过 2。 4验证马吕斯定律：结果分析：由2cosI可知道2cos与I成线性关系，满足马吕斯定律20cosII。 5通过测定布儒斯特角求材料的相对折射律 ：所测玻璃材料相对折射率为 。 十一、总结及心得体会、实验改进： 本实验的设计简明易懂， 能使大家能很好地理解其实验的原理， 对光偏振的特性既有理性的认识，又有感性的认知，理论结合实践，也提高了对学习的热情。光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性， 而光的偏振现象却直接有力地证明了光波是横波。 本实验通过对偏振光的观察和分析，帮助我们加深对光的偏振基本规律的理解。 本次实验我通过对偏振光的观察和分析，加深了对光的偏振基本规律的理解。实验中，我观察了光的偏振现象， 掌握产生偏振光的方法和检验方法； 了解了 1/4 和 1/2 波片的的作用及不同偏振性质光产生和检验的方法； 完成了验证马吕斯定律； 通过测定布儒斯特角求材料的相对折射率等内容。 通过本次试验，使我进一步的了解到了偏振光的有关知识。对光有了更深一步的了解。 本实验若能提高仪器在采集光源时的灵敏度，那么在光源对准仪器时就不会难调节了，偏振片偏振化方向与角度对应关系需要再进一步的调整。 报告评分： 指导教师签字：