群体粒子散射光偏振特性的研究_叶伏秋

光的偏振现象的研究

图2 二向色性起偏 图1 平面偏振光、自然光和部分偏振光 实验名称 光的偏振现象的研究 姓 名 学 号 班 级 桌 号 教 室 基础教学楼1406 实验日期 20 年 月 日 时段 指导教师 一. 实验目的 1. 观察光的偏振现象，加深对光偏振基本规律的认识。 2. 了解产生和检验偏振光的基本方法。 3. 验证马吕斯定律。 4．1/4波片，1/2波片的研究； 5.利用旋光现象测定蔗糖溶液浓度 二. 实验仪器 导轨和机座, 氦氖激光器（功率约5mW ）, 激光器架, 偏振片波片架, 滑动座(5个)， 光传感器(光电探头)，光功率测试仪，偏振片（两个），1/4波片（波长632.8nm ），1/2波片（波长632.8nm ），透明蔗糖溶液，螺丝刀 三. 实验原理（请携带并参阅大学物理课本） 1. 偏振光的基本概念 光波是一种电磁波，它的电矢量 和磁矢量 相互垂直，并垂直于光的传播方向C 。通常人们用电矢量 代表光的振动方向，并将电矢量和光的传播方向C 所构成的平面称为光的振动面。在传播过程中，电矢量的振动方向始终在某一确定方向的光称为平面偏振光或线偏振光，如图1(a)所示。振动面的取向和光波电矢 量的大小随时间作有规律的变化，光波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时，称为椭圆偏振光或圆偏振光，人眼逆光来看，若电矢量末端按照顺时针方向旋转，则称 评 分 教师签字

图3 双折射起偏原理图 为右旋椭圆或右旋圆偏振光，反之为左旋。通常光源发出的光波有与光波传播方向相垂直的一切可能的振动方向，没有一个方向的振动比其它方向更占优势。这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光，如图1(b)所示；如果光波电矢量的振动在传播过程中只是在某一确定方向上占优势，则此偏振光称为部分偏振光，如图1(c)所示。将自然光变成偏振光的器件称为起偏器，用来检验偏振光的器件称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是互为通用的。下面介绍几种常用的起偏和检偏方法。 ２. 二向色性起偏、马呂斯定律、双折射起偏及波片 物质对不同方向的光振动具有选择吸收的性质，称为二向色性。当自然光射到偏振片上时，振动方向与透振方向垂直的光被吸收，振动方向与透振方向平行的光透过偏振片，从而获得偏振光。自然光透过偏振片后，只剩下沿透光方向的光振动，透射光成为平面偏振光（见图2所示）。 若在偏振片P 1后面再放一偏振片P 2，P 2就可以用作检验经P 1后的光是否为偏振光，即P 2 起了检偏器的作用。当起偏器P 1和检偏器P 2的偏振化方向间有一夹角，则通过检偏器P 2的偏振光强度满足马呂斯定律： （1） 当θ= 时，I=I 0， 光强最大；当θ= 时，I =0，出现消光现象；当θ为其它值时，透射光强介于0～I 0之间。 （1）双折射起偏 某些单轴晶体（如方解石和石英等）具有双折射现象。当一束自然光射到这些晶体上时，在界面射入晶体内部的折射光常为传播方向不同的两束折射光线，这两束折射光是光矢量振动方向不同的线偏振光。其中一束折射光 ，称为寻常光（或O 光）；另一束折射光 ，其振动在 内，称为非常光（或e 光），如图3所示。 研究发现，这类晶体存在这样一个方向，沿该方向传播的光 ，该方向称为光轴。 主平面： 主截面： （2）反射和折射时光的偏振 自然光在两种透明媒质的界面上反射和折射时，反射光和折射光就能成为部分偏振光或平面偏振光，而且反射光中垂直入射面的振动较强，折射光中平行入射面的振动较强。实验发现，当改变入射角i 时，反射光的偏振程度也随之改变，当i 等于特定角0i 时，反射光只有垂直于入

光的偏振特性研究

实验7 光的偏振特性研究 光的干涉衍射现象揭示了光的波动性，但是还不能说明光波是纵波还是横波。而光的偏振现象清楚地显示其振动方向与传播方向垂直，说明光是横波。1808年法国物理学家马吕斯（Malus,1775—1812）研究双折射时发现折射的两束光在两个互相垂直的平面上偏振。此后又有布儒斯特（Brewster,1781—1868）定律和色偏振等一些新发现。 光的偏振有别于光的其它性质，人的感觉器官不能感觉偏振的存在。光的偏振使人们对光的传播规律(反射、折射、吸收和散射)有了新的认识。本实验通过对偏振光的观察、分析和测量，加深对光的偏振基本规律的认识和理解。 偏振光的应用很广泛，从立体电影、晶体性质研究到光学计量、光弹、薄膜、光通信、实验应力分析等技术领域都有巧妙的应用。 一、实验目的 1. 观察光的偏振现象，了解偏振光的产生方法和检验方法。 2. 了解波片的作用和用1/4波片产生椭圆和圆偏振光及其检验方法。 3. 通过布儒斯特角的测定，测得玻璃的折射率。 4. 验证马吕斯定律。 二、实验原理 1. 自然光和偏振光 光是一种电磁波，电磁波中的电矢量E就是光波的振动矢量，称作光矢量。通常，光源发出的光波，其电矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则的取向。在与传播方向垂直的平面内，光矢量可能有各种各样的振动状态，被称为光的偏振态。光的振动方向和传播方向所组成的平面称为振动面。按照光矢量振动的不同状态，通常把光波分为自然光、部分偏振光、线偏振光（平面偏振光）、圆偏振光和椭圆偏振光五种形式。 如果光矢量的方向是任意的，且在各方向上光矢量大小的时间平均值是相等的，这种光称为自然光。自然光通过介质的反射、折射、吸收和散射后，光波的电矢量的振动在某个方向具有相对优势，而使其分布对传播方向不再对称。具有这种取向特征的光，统称为偏振光。 偏振光可分为部分偏振光、线偏振光（平面偏振光）、圆偏振光和椭圆偏振光。如果光矢量可以采取任何方向，但不同方向的振幅不同，某一方向振动的振幅最强，而与该方向垂直的方向振动最弱，这种光为部分偏振光。如果光矢量的振动限于某一固定方向，则这种光称为线偏振光或平面偏振光。如果光矢量的大小和方向随时间作有规律的变化，且光矢量的末端在垂直于传播方向的平面内的轨迹是椭圆，则称为椭圆偏振光；如果是圆则称为圆偏振光。 将自然光变成偏振光的过程称为起偏，用于起偏的装置称为起偏器；鉴别光的偏振状态的过程称为检偏，它所使用的装置称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是可以通用的。本实验所用的起偏器和检偏器均为分子型薄膜偏振片。

Hybird散射特性

180°混合网络（Hybird ）散射特性分析 041110211 王之光 摘要：随着微波技术的发展，对定向耦合器也越来越有高标准的要求。本文着重介绍了耦 合器中的180°混合网络（Hybird ），主要对环形混合网络和渐变耦合线混合网络进行了散射特性的分析。 关键词：定向耦合器 180°混合网络 散射特性 环形混合网络 渐变耦合线混合网络 一、前言 定向耦合器是一种无源微波器件，用于功率分配或功率组合（如图1）。耦合器可以是有耗或无耗三端口器件或四端口器件。三端口网络采用T 型结和其他功分器形式，四端口网络采用定向耦合器和混合网络形式。定向耦合器可以设计为任意功率分配比，混合结一般是等功率分配，混合结在输出端口之间有90°（正交）或180°（魔T ）相移。 我们着重要讨论的是180°混合网络。180°混合结是一种在两个输出端口间有180°相移的四端口网络图2（b ）。它也可以工作在同相输出。180°混合网络所用的符号如图2（ａ）所示。施加到端口1的信号将在端口2和端口3被均匀分成两个同相分量，而端口4将被隔离。若输入施加到端口4，则输入将在端口2和端口3等分成两个有180°相位差的分量，而端口1将被隔离。当作为合成器使用时，输入信号施加在端口2和端口3，在端口1将形成输入信号的和，而在端口4将形成输入信号的差。因此端口1称为和端口，端口4称为差端口。 耦合器 耦合器 1 P 21P P α= ()31 1P P α=- 123P P P =+ 3 P 2P 图1 图2（ａ）

理想的3dB 的 180°混合网络的散射矩阵有如下形式： []?? ??? ?? ??? ??= 011-010011-00101102j -S 180°混合网络有几种形式。图3和图4（a ）所示的环形混合网络或称为环形波导可制成平面（微带线或带状线）形式，也可以制成波导形式。另一种平面型180°混合网络使用渐变匹配线和耦合线，如图4（b ）。此外，还有一种类型的混合网络是混合波导结或魔T ，如图4（c ）。 二、散射特性分析 1.散射矩阵S 在与高频网络打交道时，等效的电压和电流，以及相关的阻抗和导纳在概念上变得有些抽象。由散射矩阵给出的入射波、反射波和透射波的概念是与直接测量更为符合的表示方法。 对于N 端口网络，其中n V +是入射到n 端口的电压波振幅，n V -是自n 端口反射的电压波振幅。散射矩阵由这些入射和反射电压波之间的联系确定： []V S V -+ ????=???? []S 矩阵元可确定为 图3 图4（c ） 图4（a ） 图4（b ） 图２（b ） 定向耦合器的常用表示符号和常规功率流向

吸收性海水中气泡光散射特性的理论研究

第１９卷第１２期２００７年１２月 强激光与粒子束 ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳ Ｖ０１．１９，Ｎｏ．１２ Ｄｅｃ．，２００７ 文章编号：１００１—４３２２（２００７）１２—１９７９—０４ 吸收性海水中气泡光散射特性的理论研究。 赵卫疆１，苏丽萍２，任德明１，胡孝勇１，曲彦臣１，刘西站１ （１．哈尔滨工业大学光电子技术研究所可调谐激光技术国家级重点实验室，哈尔滨１５００８０｝ ２．哈尔滨工程大学理学院，哈尔滨１５０００１） 摘要：给出了一种适合于吸收性介质内粒子散射的Ｍｉｅ级数新的表示形式。利用Ｍｉｅ理论研究了吸收性海水中气泡的单散射特性和气泡群的相位函数。与非吸收性海水中气泡的光散射特性相比，分析了海水 折射率虚部对气泡光散射的影响。结果表明：１８０。后向散射的增强是气泡固有的光学性质，与所处介质无关， 可以利用后向散射的增强来探测气泡。 关键词：Ｍｉｅ理论；吸收性介质；气泡；相位函数；后向散射 中图分类号：０４３６．２文献标识码：Ａ 海水中波的破碎以及鱼群和舰船等物体的运动都会产生大量的气泡。气泡的存在严重影响了光在水中的传播特性，气泡的光散射对水下目标的探测以及遥感技术的应用具有重要的作用，但气泡光学特性的研究起步较晚。Ｄａｖｉｓ最早于１９５５年利用几何光学方法研究了水中单个大尺度气泡（半径大于几个入射光波长）的散射光强度随散射角的分布特性Ｅ¨。Ｍａｒｓｔｏｎ等人利用物理光学近似方法研究了单个气泡的临界角（８２．８。）散射、布儒斯特角（１０６．２。）散射和辉光（１８０。）散射以及脏气泡的临界角散射［２。５］。Ｓｔｒａｍｉｓｋｉ于１９９４年应用Ｍｉｅ理论首先研究了海水中半径在１０～１５０肛ｍ内干净气泡群的散射和后向散射系数［６］，发现这些气泡对海水后向散射的贡献可达１０％。Ｚｈａｎｇ应用Ｍｉｅ理论研究了脏气泡群的散射和后向散射系数以及体散射函数［７。８］。最近，又有关于利用光线跟踪法研究气泡介质散射光的强度和偏振特性以及利用多层蒙特卡罗方法模拟水下气泡群后向散射信号的报道［９‘１０１。 Ｓｔｒａｍｉｓｋｉ仅研究了干净气泡的光散射特性嘲，Ｚｈａｎｇ虽然将重点放在了脏气泡上［７］，但他们都将海水当作非吸收性介质来考虑。实际上，海水是一种吸收性介质，海水对光的吸收会影响到气泡的光散射。本文利用Ｍｉｅ理论研究了气泡在吸收性海水中的光散射特性，同时，给出了适合计算吸收性介质内粒子散射的Ｍｉｅ级数新的表示形式。 １理论基础 Ｍｉｅ理论是麦克斯韦电磁波方程组在一定的边界条件下经过严格的数学推导得到的匀质球形颗粒在平面单色光照射下散射的精确解。Ｍｉｅ理论的核心是散射系数‘１１３ 式中：ｍ为粒子相对于周围介质的复折射率；ｘ＝２，ｒｎａ／Ａ．为粒子的相对尺度，口为粒子半径，Ｙｌ—ｉｒｌＲ。一ｉ挖ｈｎ为介质的复折射率；咖，邑，妒７；和拿７。分别为Ｒｉｃａｔｔｉ－Ｂｅｓｓｅｌ函数及其导数。 。从式（１）可以看出，Ｍｉｅ系数是粒子相对复折射率ｍ和尺寸参数ｚ的函数。海水中气泡的折射率一般为实数，当海水为非吸收性时，ｍｘ和ｚ均为实数；当海水为吸收性时，ｍｘ为实数，ｚ为复数。可见，海水折射率虚部将影响Ｍｉｅ散射系数，从而影响球形粒子的光散射。 当气泡半径较大时，咖和＆可能会超过计算机的处理字长，使计算结果溢出。为此，我们引进两个新的函数陋１３３ Ｄｆ（懈）一船，Ｒｊ（ｚ）一器（２） －收稿日期：２００７－０５－１７≯修订日期：２００７－１０－０９ 基金项目：哈尔滨工业大学优秀团队支持计划资助课题 作者简介：赵卫疆（１９７１一），男，黑龙江人，副教授，博士，主要从事激光技术及应用研究ｆｃ０２＠ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。

光的偏振现的研究

图 2 二向色性起偏 图1 平面偏振光、自然光和部分偏振光 实验名称 光的偏振现象的研究 姓 名 学 号 班 级 桌 号 教 室 基础教学楼1406 实验日期 20 年 月 日 时段 指导教师 一. 实验目的 1. 观察光的偏振现象，加深对光偏振基本规律的认识。 2. 了解产生和检验偏振光的基本方法。 3. 验证马吕斯定律。 4．1/4波片，1/2波片的研究； 5.利用旋光现象测定蔗糖溶液浓度 二. 实验仪器 导轨和机座, 氦氖激光器（功率约5mW ）, 激光器架, 偏振片波片架, 滑动座(5个)， 光传感器(光电探头)，光功率测试仪，偏振片（两个），1/4波片（波长632.8nm ），1/2波片（波1. 偏振光的基本概念 光波是一种电磁波，它的电矢量 和磁矢量 相互垂直，并垂直于光的传播方向C 。通常人们用电矢量 代表光的振动方在传播过程中，电矢量的振动方向始终在某一确定方向的光称为平面偏振光或线偏振光，如图1(a)所示。振动面的取向和光波电矢 量的大小随时间作有规律的变化，光波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时，称为椭圆偏振光或圆偏振光，人眼逆光来看，若电矢量末端按照顺时针方向旋转，则称 评 分 教师签字

图3 双折射起偏原理图 为右旋椭圆或右旋圆偏振光，反之为左旋。通常光源发出的光波有与光波传播方向相垂直的一切可能的振动方向，没有一个方向的振动比其它方向更占优势。这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光，如图1(b)所示；如果光波电矢量的振动在传播过程中只是在某一确定方向上占优势，则此偏振光称为部分偏振光，如图1(c)所示。将自然光变成偏振光的器件称为起偏器，用来检验偏振光的器件称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是互为通用的。下面介绍几种常用的起偏和检偏方法。 ２. 二向色性起偏、马呂斯定律、双折射起偏及波片 物质对不同方向的光振动具有选择吸收的性质，称为二向色性。当自然光射到偏振片上时，振动方向与透振方向垂直的光被吸收，振动方向与透振方向平行的光透过偏振片，从而获得偏振光。自然光透过偏振片后，只剩下沿透光方向的光振动，透射光成为平面偏振光（见图2所示）。 若在偏振片P 1后面再放一偏振片P 2，P 2就可以用作检验经P 1后的光是否为偏振光，即P 2 起了检偏器的作用。当起偏器P 1和检偏器P 2的偏振化方向间有一夹角，则通过检偏器P 2的偏振光强度满足马呂斯定律： （1） 当θ= 时，I=I 0， 光强最大；当θ= 时，I =0，出现消光现象；当θ为其它值时，透射光强介 于0～I 0之间。 （1）双折射起偏 某些单轴晶体（如方解石和石英等）具有双折射现象。当一束自然光射到这些晶体上时，在界面射入晶体内部的折射光常为传播方向不同的两束折射光线，这两束折射光是光矢量振动方向不同的线偏振光。其中一束折射光 ，称为寻常光（或O 光）；另一束折射光 ，其振动在 内，称为非常光（或e 光），如图3所示。 研究发现，这类晶体存在这样一个方向，沿该方向传播的光 ，该方向称为光轴。 主平面： 主截面： （2）反射和折射时光的偏振 自然光在两种透明媒质的界面上反射和折射时，反射光和折射光就能成为部分偏振光或平面偏振光，而且反射光中垂直入射面的振动较强，折射光中平行入射面的振动较强。实验发现，当改变入射角i 时，反射光的偏振程度也随之改变，当i 等于特定角0i 时，反射光只有垂直于入

空间目标的光学偏振特性研究

第37卷第7期 光电工程V ol.37, No.7 2010年7月Opto-Electronic Engineering July, 2010 文章编号：1003-501X(2010)07-0024-06 空间目标的光学偏振特性研究 李雅男，孙晓兵，乔延利，洪津，张荞 ( 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室；安徽光学精密机械研究所，合肥 230031 ) 摘要：偏振特性是光与物质相互作用所表现的重要特性之一，与物质的性质密切相关。空间目标偏振特性可能会因为特定空间目标组成材料和空间目标轨道不同而存在差异，因此为空间目标的探测和识别提供了科学依据。本文通过空间目标材料以及典型空间目标模型的多角度偏振成像特性试验测量，分析了空间目标偏振特性及其变化机理。结果表明，空间目标表面材料的偏振特性对于目标的识别具有很重要的作用，太阳能电池板的姿态对卫星的偏振特性影响尤为明显。本文研究可以为空间目标光学偏振探测与识别提供应用基础研究支持。 关键词：物理光学；目标探测；偏振特性；空间目标 中图分类号：O436.2 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2010.07.005 Photopolarimetric Characteristic of Space Target LI Ya-nan，SUN Xiao-bing，QIAO Yan-li，HONG Jin，ZHANG Qiao ( Key Laboratory of Optical Calibration and Characterization, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China ) Abstract：Polarization is one of the important optical characteristics of target. Certain materials used in constructing satellites possess unique polarization because of certain space target designs and different orbits. Thus polarization can be considered for target detection and recognition. Photopolarimetric characteristic of space target materials and model are measured and analyzed. Results show that the polarization properties of material are significant for target detection, and the attitude of solar panel has great effect on the polarization of satellite. This research can give support to the application for space target detection and recognition. Key words：physical optics; target detection; polarization; space target 0 引 言 地基光学探测系统对深空目标的探测有重要的作用，为了达到探测和识别目标的目的目前已经发展了若干种探测手段[1]，例如，Sanchez等根据高轨碎片的光度特性来判断目标的生存状态以及特征[2]，通过同时性的多色测光来判断不同卫星平台[3]。Jorgensen等人表明由于不同材料的空间目标具有不同的光谱反射率，因此采用低色散光谱观测对于目标的识别有重要的作用[4]。而目标的偏振特性由于反映了材料的本征特性也在空间目标的探测中也得到了应用，Stead在美国俄亥俄州Sulphur Grove观测站，在光电望远镜上加上偏振分析器完成空间目标的偏振观测，测量到一个卫星的偏振度最大达39％[5]。Kissel研究表明空间目标反射太阳光的偏振程度是很高的，并将偏振结果看成由漫反射和镜反射混合而产生的，按照这种假设理论计算与观测结果符合的比较好，他认为这足以证明偏振特性可以作为研究空间目标材料在太空中所受的影响[6]，Beavers等人通过不同形状的卫星的光学偏振观测，表明偏振观测可以作为测试在轨目标状态、判断目标材料、探测目标在深空中暴露对其光学特性影响的一种手段，并将铝质材料和太阳能板表面的卫 收稿日期：2010-01-11；收到修改稿日期：2010-05-11 基金项目：国家863计划资助课题(2002AA731041)；安徽省红外与低温等离子体重点实验室基金项目资助课题(2007C003018F) 作者简介：李雅男(1984-)，女(汉族)，江西九江人。博士生，主要从事遥感信息定量化的研究。E-mail：yananli@https://www.360docs.net/doc/3b5550446.html,。

(最新整理)反射光的偏振特性

(完整)反射光的偏振特性 编辑整理： 尊敬的读者朋友们： 这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（(完整)反射光的偏振特性）的内容能够给您的工作和学习带来便利。同时也真诚的希望收到您的建议和反馈，这将是我们进步的源泉，前进的动力。 本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为(完整)反射光的偏振特性的全部内容。

反射光的偏振特性—布儒斯特角的测量 1808年马吕斯（1775-1812）发现了光的偏振现象。通过深入研究，证明了光波是横波，使 人们进一步认识了光的本质。随着科学技术的发展，偏振光技术在各个领域都得到了广泛应用， 特别是在光学计量、实验应力分析、晶体性质研究和激光等方面更为突出.在我们日常生活和工 作中，太阳光、照明用光一般多为自然光。而自然光经过一些材料的反射和透射后可能变成部分 偏振光.自然光经过一些特殊材料，如偏振片或双折射晶体材料制作的棱镜后,就会变成线偏振光. 线偏振光经过波片后就可能成为椭圆偏振光。 【目的与要求】 1.用最小偏向角法测量棱镜材料的折射率。 2.测量通过起偏器、1/4波片后的光的偏振特性，了解线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光的特点. 3。通过观察从棱镜材料表面反射回来的光的偏振特性，了解反射光的偏振特性，测量出布儒斯特角。 4.用测量值验证布儒斯特角公式的正确性。 【实验原理】 一、棱镜材料的折射率的测量 当一束光斜入射于棱镜表面时，其光路如图1所示。

n 为材料的折射率. 同理出射角γ/ 为sinγ/= sini//n （–1） 根据几何关系可以证明入射光与出射光之间的夹角为：δ=i＋γ/－A,而且δ有一个极小值δmin ，可以证明：当光束偏转角为δmin时，有i=γ/γ= i/, 此时δ=2i－A 即i=（δ＋A）/2 而A=γ＋i/=2γγ=A/2 由（–1）式可得： n=sin[（A+δmin）/2］/sin（A/2）（–2）因此，只要我们测量出δmin，用（–2）就可得到材料相对于该测量光的折射率n。 二、偏振光 光是一种横波,它的振动方向是与传播方向相互垂直的。偏振是指光波的振动方向在空间上的一种相对取向的现象。当这个振动方向在垂直于传播方向的平面内可取所有可能的方向，并且没有一个方向占优势时，我们称之为自然光或非偏振光。而如果有某一个方向上的振动占优势时，则称之为部分偏振光。只有一个单一的振动方向的光叫线偏振光，而在一个振动周期内其振动矢量的端点的轨迹为一个圆或椭圆时,我们称之为圆偏振光或椭圆偏振光。 在我们日常生活和工作中，太阳光、照明用光一般多为自然光。而自然光经过一些材料的反射和透射后可能变成部分偏振光.自然光经过一些特殊材料，如偏振片或双折射晶体材料制作的棱镜后，就会变成线偏振光，一些激光器也可产生很好的线偏振光。线偏振光经过波片后就可能成为椭圆偏振光。 在本实验中,我们将通过多种实验手段来产生线偏振光和椭圆偏振光（圆偏振光被看成是一个特例）。 偏振光的数学描述： 对于线偏振光和椭圆偏振光，在数学上我们常用两个垂直振动的合成来描述。在与光传播方向相垂直的平面内取一个直角坐标系，将代表振动特性的电矢量E分解成Ex和Ey，它们是同频ω，假设相位相差δ,振幅分别为Ax和Ay，即

散射原理

散射原理 透射光强为l l h K e I e I I α-+-==0)(0 h ：散射系数 K ：吸收系数 α：衰减系数（实际测量中得到的） 散射是指电磁波通过某些介质时，入射波中一部分能量偏离原来传播方向而以一定规律向其他方向发射的过程。散射可以用电磁波理论和物质电子理论解释：入射的电场使粒子中的电荷产生振荡，振荡的电荷形成一个或多个电偶极子，它们辐射出次级的球面波，因为电荷的振荡与入射波同步，所以次级波与入射波有相同频率，且有固定的相位关系。在大气散射过程中，散射粒子的尺度范围很大，从气体分子（约10-4μm ）到气溶胶（约 1μm ）、小水滴（约 10μm ）、冰晶（约 100μm ），以及大雨滴和雹粒（约 1cm ）。通常以尺度数α = 2π/λ作为判别标准，其中r 为粒子半径，λ为波长。按α的大小可以将散射过程分为三类： (1) α << 1，即 r < λ 时的散射，称为 Rayleigh 散射或分子散射； (2) 1< α < 50，即 r ≈ λ 时的散射，称为 Mie 散射或大颗粒散射； (3) α > 50，即 r>> λ 时的散射，属于几何光学散射范畴。 对于大气中的粒子（假设是各向同性的），散射光分布型式相应于入射光方向 是三维空间对称的，依赖于尺度数 α，其典型情况如图 3.1 所示

图3.1 三种尺度粒子的散射强度的角分布型式 Rayleigh 散射和 Mie 散射的实质，都是大气分子或气溶胶粒子在入射电磁波作用下激发，而产生振动的电偶极子或多极子，并以粒子为中心向四周辐射出与入射波频率相同的散射波，都属于弹性散射。 瑞利散射 瑞利散射解释了大气中气态分子的光学特性，根据瑞利的观点，天空的蓝色是由于大气中圆形、各项同性的、密度大于周围介质、且大小远远小于波长的粒子的散射造成的。 瑞利散射理论的提出是基于以下几个假设条件 （1）粒子尺寸远远小于光的波长，一般 r ≤ 0.03λ时，就认为满足条件。注意这里不包括尘埃、阴霾、以及一些其他粒子，这类粒子的散射特性有其他的理论支撑，如米式散射； （2）粒子处于非电离状态，在大气层中除了电离层之外，大气层的大部分区域均满足这一条件； （3）粒子的折射系数和周围介质的折射系数之间的差异较小； （4）粒子满足各项同性是最简单的一种瑞利散射情况，但是大气中的 N2和 O2 基本不满足各项同性，这也是简单的瑞利散射理论和观测结果之间出现差异的原因之一； （5）光的频率不能引起粒子的共振，如果光的频率能够引起粒子的共振的话，那么散射光的强度会非常大。对于大气中的可见光和长波是不存在这一问题的，因为大部分粒子尺寸都不满足这一条件，但是对于某些稀有气体则会出现这一现象。 米氏散射特点： （1）散射光强与偏振特性随散射粒子尺寸变化 （2）散射光强随波长的变化规律是与波长 λ的较低幂次成反比，即n I λθ1)(∝，其中n 的具体取值取决于微粒尺寸。 （3）散射光的偏振度随λr 的增加而减小，r 为散射粒子的线度，λ是入射光波长。 （4）当散射粒子的线度与光波长靠近时，散射光强度对于光矢量振动平面的对称性被破坏，随悬浮微粒线度增大，沿入射光方向的散射光强将大于逆入射光方向的散射光强。当微粒线

大学物理实验《偏振光的观测与研究》

实验3.8 偏振光的观测与研究 偏振光的理论意义和价值是，证明了光是横波。同时，偏振光在很多技术领域得到了广泛的应用。如偏振现象应用在摄影技术中可大大减小反射光的影响，利用电光效应制作电光开关等。 【实验目的】 1．通过观察光的偏振现象，加深对光波传播规律的认识。 2．掌握偏振光的产生和检验方法。 3．观察布儒斯特角及测定玻璃折射率。 4．观测圆偏振光和椭圆偏振光。 【实验仪器】 光具座、激光器、光点检流计、起偏器、检偏器、1/4波片、1/2波片、光电转换装置、观测布儒斯特角装置、带小孔光屏、钠光灯。 【实验原理】 按照光的电磁理论，光波就是电磁波，电磁波是横波，所以光波也是横波。在大多数情况下，电磁辐射同物质相互作用时，起主要作用的是电场，因此常以电矢量作为光波的振动矢量。其振动方向相对于传播方向的一种空间取向称为偏振，光的这种偏

振现象是横波的特征。 根据偏振的概念，如果电矢量的振动只限于某 一确定方向的光，称为平面偏振光，亦称线偏振光； 如果电矢量随时间作有规律的变化，其末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆（或圆），这样的光称为椭圆偏 振光（或圆偏振光）；若电矢量的取向与大小都随时间作无规则变 化，各方向的取向率相同，称为自然光，如图3-26所示；若电矢 量在某一确定的方向上最强，且各向的电振动无固定相位关系， 则称为偏振光。 1．获得偏振光的方法 （1）非金属镜面的反射，当自然光从空气照射在折射率为n 的非金属镜面（如玻璃、水等）上，反射光与折射光都将成为部 分偏振光。当入射角增大到某一特定值φ0时，镜面反射光成为完 全偏振光，其振动面垂直于射面，这时入射角φ称为布儒斯特角， 也称起偏振角，由布儒斯特定律得： 0tan n φ= （3-51） 其中，n 为折射率。 （2）多层玻璃片的折射，当自然光以布儒斯特角入射到叠在 一起的多层平行玻璃片上时，经过多次反射后透过的光就近似于 线偏振光，其振动在入射面。 图3-26 自然光

1光的偏振现象的研究134

光的偏振现象的研究 光的偏振现象是波动光学中的一种重要现象，在诸如光调制器、光开关、应力分析等方面有着广泛的应用。 实验目的 1.观察光的偏振现象，掌握起偏和检偏的方法，验证马吕斯定律。 2.了解产生椭圆偏振光和圆偏振光的方法及波片的作用，检测偏振光干涉的光强。 实验原理及方法 1. 自然光和偏振光 光波是一种电磁波，其电矢量E和磁矢量H相互垂直，且均与光的传播方向垂直。由于光对物质的作用主要是电矢量的作用，所以电矢量又称为光矢量。通常以电矢量的方向代表光的振动方向，并将电矢量和光传播方向所构成的平面称为振动面。 普通光源含有大量发光原子或分子。单个原子和分子发出的光，其光矢量有一定的方向，但大量的原子和分子发出的光其光矢量具有一切可能的方向，没有一个方向的振动比其它方向更占优势。在与光传播方向垂直的平面内，光矢量有均匀对称分布的特点。这种光称为自然光（非偏振光）。如果光振动在某一方向占优势，这种光称为部分偏振光；如果光矢量只沿某一固定方向振动，这种光称为线偏振光或平面偏振光，见图1。如果在垂直于光传播方向的平面内，光矢量以一定频率绕传播方向转动，其矢端轨迹为一个圆或椭圆，这种光称为圆偏振光或椭圆偏振光。 图1 能使自然光变为偏振光的器件称为起偏器，能够检验偏振态的器件称为检偏器（起偏器和检偏器一般可以通用）。产生和检验偏振光的过程分别称为起偏和检偏。下面介绍起偏和检偏的常用方法。 2. 产生平面偏振光的方法 2.1 二向色性起偏 某些晶体内部有一个特殊的方向（称为透光方向），沿透光方向的光振动几乎可以全部

透过，与透光方向垂直的光振动几乎全被吸收。这种选择吸收的特性称为二向色性。偏振片就是利用二向色性制成的器件，自然光透过偏振片后，只剩下沿透光方向的光振动，透射光成为平面偏振光，如图2所示。 图2 二向色性起偏 图3 晶体双折射起偏 2.2 双折射现象 自然光射到某些各向异性晶体（如方解石、石英等）上时，在晶体内分为两束平面偏振光，如图3所示。一束称为寻常光（o 光），另一束称为非常光（e 光），两束光的振动面相互垂直。这种现象称为双折射。利用双折射制成的起偏器有尼科尔棱镜、格兰棱镜等。 研究发现，光沿某特殊方向在晶体传播时不发生双折射，也不能起偏，这个方向称为双折射晶体的光轴。 如图4所示，当自然光投射到两种透明媒质的界面上时，反射光和折射光一般成为部分偏振光。如果入射角B ?满足布儒斯特定律 21/B tg n n ?= (n 1，n 2为二种媒质的折射率) 则反射光成为平面偏振光，其振动面垂直入射面，而透射光仍为部分偏振光。利用多块玻璃叠成的玻璃片，可以提高透射光的偏振程度，如图5所示。 图4 反射光和折射光的偏振态的变化 图5 用玻璃堆产生平面偏振光 3．1/4波片和圆偏振光、椭圆偏振光的产生 如图6所示，当振幅为A 的单色平面偏振光垂直射入双折射晶片后，产生双折射，入

偏振光的观察与研究

实验报告 PB09214023葛志浩 PB09214047卢焘 2011-11-22 得分： 实验题目：偏振光的观察与研究 实验目的:1．观察光的偏振现象，加深偏振的基本概念。 2．了解偏振光的分类以及产生和检验方法，掌握马吕斯定律。 3．观测布儒斯特角及测定玻璃折射率。 4．观测椭圆偏振光和圆偏振光。 实验仪器：激光器，起偏器，检偏器，硅光电池，1/4波片，光电流放大器，分束板。 实验原理： 一，偏振光的基本概念和分类 光的偏振是指光的振动方向不变，或光矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆的现象。光有五种偏振态：自然光（非偏振光），线偏振光，部分偏振光，圆偏振光，椭圆偏振光 二，产生偏振光的方法： 1，利用光在界面反射和透射时光的偏振现象。 反射光中的垂直于入射面的光振动（称s 分量）多于平行于入射面的光振动（称p 分量）；而透射光则正好相反。在改变入射角的时候，出现了一个特殊的现象，即入射角为一特定值（称为布雷斯特角）时，反射光成为完全线偏振光（s 分量）。折射光为部分偏振光，而且此时的反射光线和折射光线垂直，这种现象称之为布儒斯特定律。该方法是可以获得线偏振光的方法之一。通过测量介质的布雷斯特角可以得到介质的折射率。 1 2 n n tg =α ）1（ 2，利用光学棱镜，如尼科尔棱镜，格兰棱镜等。 3，利用偏振片。 三，改变光的偏振态的元件——波晶片。 平面偏振光垂直入射晶片，如果光轴平行于晶片表面，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。 线偏振光垂直入射1/4波片，其振动方向与波片光轴成角θ，则出射光的偏振态与θ的关系如下： 1，2 0π θ或=时，出射光为线偏振光； 2，4 π θ= 时，出射光为圆偏振光； 3，θ为其它值时，出射光为椭圆偏振光。 利用偏振片可以由自然光得到线偏振光，利用1/4波

名称光的偏振现象的研究

图2 二向色性起偏 实验名称 光的偏振现象的研究 （请携带并参阅大学物理课本） 姓 名 学 号 班 级 桌 号 教 室 基教1406 实验日期 20 年 月 日 时段 指导教师 一. 实验目的 1. 观察光的偏振现象，加深对光偏振基本规律的认识； 2. 了解产生和检验偏振光的基本方法； 3. 验证马吕斯定律； 4．1/2波片，1/4波片的研究； 5.利用旋光现象测定蔗糖溶液浓度. 二. 实验仪器 导轨和机座, 带布儒斯特窗的氦氖激光器, 激光器架, 偏振片、波片架, 滑动座(4个)， 光传感器(光电探头)，光功率测试仪，偏振片（2个），1/2波片（波长632.8nm ），1/4波片（波 长632.8nm ），透明蔗糖溶液，螺丝刀。 三. 实验原理 1. 偏振光的基本概念 光波是一种电磁波，它的电矢量 和磁矢量 相互垂直，并垂直于光的传播方向C 。通常人们用电矢量 代表光的振动方向，并将电矢量和光的传播方向C 所构成的平面称为光的振动面。在传播过程中，电矢量的振动方向始终在某一确定方向的光称为平面偏振光或线偏振光，如图1(a)所示。振动面的取向和光波电矢 评 分 教师签字 图1 平面偏振光、自然光和部分偏振光

图3 双折射起偏原理图 量的大小随时间作有规律的变化，光波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时，称为椭圆偏振光或圆偏振光，人眼逆光来看，若电矢量末端按照顺时针方向旋转，则称为右旋椭圆或右旋圆偏振光，反之为左旋。通常光源发出的光波有与光波传播方向相垂直的一切可能的振动方向，没有一个方向的振动比其它方向更占优势。这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光，如图1(b)所示；如果光波电矢量的振动在传播过程中只是在某一确定方向上占优势，则此偏振光称为部分偏振光，如图1(c)所示。将自然光变成偏振光的器件称为起偏器，用来检验偏振光的器件称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是互为通用的。下面介绍几种常用的起偏和检偏方法。 ２. 二向色性起偏、马呂斯定律、双折射起偏及波片 物质对不同方向的光振动具有选择吸收的性质，称为二向色性。当自然光射到偏振片上时，振动方向与透振方向垂直的光被吸收，振动方向与透振方向平行的光透过偏振片，从而获得偏振光。自然光透过偏振片后，只剩下沿透光方向的光振动，透射光成为平面偏振光（见图2所示）。 若在偏振片P 1后面再放一偏振片P 2，P 2就可以用作检验经P 1后的光是否为偏振光，即P 2起了检偏器的作用。当起偏器P 1和检偏器P 2的偏振化方向间有一夹角，则通过检偏器P 2的偏振光强度满足马呂斯定律： （1） 当θ= 时，I=I 0， 光强最大；当θ= 时， I =0，出现消光现象；当θ为其它值时，透射光强介于0～I 0之间。 （1）双折射起偏 某些单轴晶体（如方解石和石英等）具有双折射现象。当一束自然光射到这些晶体上时，在界面射入晶体内部的折射光常为传播方向不同的两束折射光线，这两束折射光是光矢量振动方向不同的线偏振光。其中一束折射光 ，称为寻常光（或O 光）；另一束折射光 ，其振动在 内，称为非常光（或e 光），如图3所示。 研究发现，这类晶体存在这样一个方向，沿该方向传播的光 ，该方向称为光轴。 主平面： 主截面： （2）反射和折射时光的偏振 自然光在两种透明媒质的界面上反射和折射时，反射光和折射光就能成为部分偏振光或平面偏振光，而且反射光中垂直入射面的振动较强，折射光中平行入射面的振动较强。实验发现，

光散射的基本理论

绪论 （一）电磁散射及吸收的物理基础： 任何系统的电磁散射和吸收都和该系统的特性有关：比如，有关散射分子的大小或分子群的规模等的特性。其实，尽管有这些具体的特性，其中隐藏的物理本质是相同的。物质都是由质子和电子这些分离的电荷所构成。当一个障碍物(其可为一个电子或质子、一个原子或分子、一个固态或液态微粒)被一束电磁波所照射时，障碍物中的电荷都会被入射波的电场激发而定向移动。加速的电荷将向周围辐射电磁能；这种二次辐射正是我们所讨论的“障碍散射”： 散射= 消光+ 再辐射 (其中，“再辐射”、“二次辐射”及“激发辐射”是对同一个概念的不同称谓)。激发的电荷元除二次辐射电磁能外，还可能会将入射的电磁能转化为诸如热能的其它能量形式，这一过程被称为“吸收”。散射和吸收并非毫不相关的两过程，因此，为了简略起见，我们常只称所讨论的问题为“散射”，而同时在这一概念中暗含“吸收”。 （二）物质波的散射及微粒的散射： 在一定程度上可以认为除真空外任何物质均为非均匀的。即使在我们通常所认为均匀的介质(例如纯净气体、固体或液体)中，仍能通过使用高精度的探针分辨出各处(原子或分子)的不均匀性能。因此，所有的介质均散射电磁波。实际上，好多我们平时并不以“散射”来考察的问题实质上都是散射的结果。例如其中有：(1)粗糙表面的漫反射；(2)尖劈、边缘或光栅的衍射；和(3)光学光滑界面处的反射和折射。此处，我们遇到的是一个电磁的多体问题：散射分子的耦合！这种问题的净结果(依据适当的近似)就是在介质内部次波相互叠加而使得折射波以速度c/n传播。结果介质内部入射波完全消散，即所谓的艾瓦德—欧昔姆消散定理(Ewald-Oseem extinction theorem)；介质外部次波叠加而形成反射波。 通常的对波束与光学光滑的界面相互作用的分析中，只是假定折射介质是完全同性均匀的——而实际上，那只可认为是“统计上均匀的”。那即为，对给定体积元，平均分子数是不变的；但对一指定的体积元，在不同的瞬间，其所含的分子数是不同的。其实，正是这种“密物质波”产生光学密介质的散射。虽然，我们很多人为了简化问题，称所研究的问题为“密物质的散射”，并以此角度进行分析；不过，其实这种散射的本质却仍是分子等小粒子对入射波的散射。 此处，物质波散射不在我们研究之列，我们只考察小粒子的散射。其实，物质波散射常常是对粒子散射一种简化和近似的结果，其中之一为瑞利(Rayleigh)散射；不过，读者可以参照杨氏(Young)所写的一篇论文——在这篇论文中，他曾试图找出Rayleigh散射用于处

光的偏振特性研究

光的偏振特性研究 光是一种电磁波。干涉和衍射现象揭示了光的波动性，而光的偏振现象证实了光的横波性。本实验主要研究光的一些基本的偏振特性，深入学习光的偏振理论。 一、实验目的 （1）观察光的偏振现象，加深对偏振光的基本概念的理解。 （2）了解偏振光的产生和检验方法。 （3）观测布儒斯特角及测定玻璃折射率。 （4）观测椭圆偏振光和圆偏振光。 二、实验仪器 光具座，激光器，偏振片，1/4波片，光屏，光电转换装置，观测布儒斯特角装置。 三、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于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。 1.偏振光的产生 偏振光的产生有以下几种方式： （1）由非金属镜面的反射。当自然光由空气照射在非金属镜面上时，反射光和透射光都将成为部分偏振光，当入射角增大到某一特定值是，反射光成为完全偏振光，只剩下垂直于入射面分量，此时的入射角φ称布儒斯特角，介质的折射率n=tan φ。 （2）由玻璃堆折射。当自然光以布鲁斯特角入射到迭在一起的多层玻璃上时，经过多次反射后，透射的光就近似为线偏振光； （3）用偏振片可得到一定程度的线偏振光； （4）利用双折射晶体产生的寻常光和非常光，均为线偏振光。 2.偏振片 偏振片一般用具有网状分子结构的高分子化合物—聚乙烯醇薄膜作为片基，将这种薄膜浸染具有强烈二向色性的碘，经过硼酸水溶液的还原稳定后，再将其单向拉伸4~5倍以上而制成。偏振片既可以用来使自然光变为平面偏振光——起偏，也可以用来鉴别线偏振光、自然光和部分偏振光——检偏。用作起偏的偏振片叫做起偏器，用作检偏的偏振器件叫做检偏器。实际上，起偏器和检偏器是通用的。 3.马吕斯定律 设两偏振片透射方向夹角为θ，自然光通过起偏器后变成光强为I 0的线偏振光，再经过检偏器后，透射光的强度变为 θ20cos I I = （1） 上式即为马吕斯定律。显然，以光线传播方向为轴，转动检偏器时，透射光强度I 将发生周期变化。若入射光是部分偏振光或椭圆偏振光，则极小值不为0。若光强完全不变化，则入射光是自然光或圆偏振光。这样，根据透射光强度变化的情况，可将线偏振光和自然光和部分偏振光区别开来。 nemo xatu 2011.11.21