偏振光实验

偏振光实验

一、实验目的

1.通过观察光的偏振现象，加深对光传播规律的认识

2.掌握产生和检验偏振光的原理和方法

二、实验仪器

半导体激光器、碘钨灯、硅光电池、偏正片（2片）、四分之一波片、反射镜、玻璃堆、平台、光具座等。

三、实验原理

1.光的偏振性

光波是一种电磁波，光学中把电场强度E称为光矢量。在垂直于光波传播方向的平面内，通常把光矢量保持一定振动方向上的状态称为偏振态。光按照偏振态区分大致有五种，即线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、自然光和部分偏振光，其中线偏振光和圆偏振光可看作椭圆偏振光的特例。

（1）自然光

光是由光源中大量原子或分子发出的。普通光源中各个原子发出的光的波列不仅初相彼此不相关，而且光振动方向也是彼此不相关的，呈随机分布。在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向振动的光矢量都有。平均说来，光矢量具有轴对称而且均匀的分布，各方向光振动的振幅相同，各个振动之间没有固定的相联系，这种光称为自然光或非偏振光（见下图）。

我们设想把每个波列的光矢量都沿任意取定的x轴和y轴分解，由于各波列的光矢量的相和振动方向都是无规则分布的，将所有波列光矢量的x分量和y分量分别叠加起来，得到的总光矢量的分量E x和E y之间没有固定的相关系，因而它们之间是不相干的。同时E x和E y的振幅是相等的，即A x=A y。这样，我们可以把自然光分解为两束等幅的、振动方向互相垂直的、不相干的线偏振光。这就是自然光的线偏振表示，如下图（a）所示。分解的两束线偏振光具有相等的强度I x=I y，又因自然光强度

I=I x+I y

所以每束线偏振光的强度是自然光强度的1/2，即

通常用图（b）的图示法表示自然光。图中用短线和点分别表示在纸面内和垂直于纸面的光振动，点和短线交替均匀画出，表示光矢量对称而均匀的分布。

（2）线偏振光

光矢量只沿一个固定的方向振动时，这种光称为线偏振光，又称为平面偏振光。光矢量的方向和光的传播方向所构成的平面称为振动面，如图（a）所示。线偏振光的振动面是固定不动的，图（b）所示是线偏振光的表示方法，图中短竖线表示光振动在纸面内，点表示光振动垂直于纸面。

（3）部分偏振光

这是介于线偏振光与自然光之间的一种偏振光，在垂直于这种光的传播方向的平面内，各方向的光振动都有，但它们的振幅不相等，如图（a）所示。这种部分偏振光用数目不等的点和短线表示。在图（b）中，上图表示在纸面内的光振动较强，下图表示垂直纸面的光振动较强。要注意，这种偏振光各方向的光矢量之间也没有固定的相的关系。

（4）圆偏振光和椭圆偏振光

这两种光的特点是在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量按一定频率旋转（左旋或右旋）。如果光矢量端点轨迹是一个圆，这种光叫圆偏振光。如果光矢量端点轨迹是一个椭圆，这种光叫椭圆偏振光。

2.偏振光

自然界中存在着各种偏振光，目前广泛使用的偏振光的器件是人造偏振片，它利用二向色性获得偏振光。

偏振光器件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

检偏的偏振片叫做检偏器。实际上，起偏器和检偏器是通用的。

3.马吕斯定律

如果光源中的任一波列（用振动平面E 表示）投射在起偏器P 上（如下图），只有相当于它的成份之一的E y （平行于光轴方向的矢量）能够通过，另一成份E x （=E cos θ）则被吸收。与此类似，若投射在检偏器A 上的线偏振光的振幅为E 0，则透过A 的振幅为E 0 cos θ（这里θ是P 与A 偏振化方向之间的夹角）。由于光强与振幅的平方成正比，可知透射光强I 随θ而变化的关系为

θ2

0c o s I I =……………………………(1) 这就是马吕斯定律。

4.偏振光的获得

自然界的大多数光源所发出的是自然光。为了从自然光得到各种偏振光，需要采用偏振器件。偏振片、玻片堆和尼科耳棱镜等都可以用作起偏器，自然光通过这些起偏器后就变成了线偏振光。偏振片常用具二向色性的晶体制成，这些晶体对不同方向的电磁振动具有选择吸收的性质，当光线射在晶体的表面上时，振动的电矢量与光轴平行时吸收得较少，光可以较多地通过；电矢量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得很少。通常的偏振片是在拉伸了的塞璐璐基片上蒸镀一层硫酸碘奎宁的晶粒，基片的应力可以使晶粒的光轴定向排列起来，这样可得到

面积很大的偏振片。

为了得到椭圆偏振光，使自然光通过一个起偏器和一个波片即可。由起偏器出射偏振光正入射到波片中去时，只要其振动方向不与波片的光轴平行或垂直，就会分解成0光和e光，穿过波片时在它们之间就有一定的附加相位差δ。射出波片之后，传播方向相同的这两束光的速度恢复到一样，它们在一起一般是合成椭圆偏振光。只有当这两面束光之间的相位差等于±π/2，且振幅相同时，才有可能得到圆偏振光。

四．实验步骤：

1、验证马吕斯定律：

(1)连接电源和万用表，将万用表的旋钮旋到直流电压处，取下四分之一波片。调整起偏器、检偏器、光源和硅光电池至在同一水平线上，记下此时万用表的读数U0；

(2)打开光源开光，调整检偏器至万用表示数最大，记录此时P2的位置并作为起始位置；

(3)以P2的起始位置为起点，旋转P2一周，每隔15度记录一次U值；

(4)记录数据，处理数据。

2、验证椭圆偏振光

(1)放置四分之一波片前，调节P2至电压U最小处，记录此时P2的位置和U0；

(2)P1，P2之间放入四分之一波片，旋转四分之一波片至电压U最小处停止，记录四分之一波片此时的位置；

(3)旋转P2一周，每隔15度记录一次U值;

(4)设置四分之一波片与P1的夹角为30度、45度，分别旋转P2一周，每隔15度记录一次U值；

(5)分别画出夹角为0度、30度、45度时的θ-（U-U0）图。

五．实验数据处理

1.验证马吕斯定律：

P2的起始位置：60°U0：0.301

上图由Excel作出

2.验证椭圆偏振光

α=0°P2:135°1/4波片：255°U0: 0.250

上图由OriginPro 8作出

上图由OriginPro 8作出

上图由OriginPro 8作出

六、实验总结

通过本次实验，我观察到了光的偏振现象，掌握并知道了产生和检验偏振光的条件和方法，加深了我对广播传播规律的理解与认识。掌握了马吕斯定律的原理，并通过自己的实验操作认证了它的正确性；掌握了用1/4拨片产生椭圆偏振光的原理，也通过实验验证了理论的正确性。同时也提高了我用计算机软件作数据分析图对数据进行分析的能力。

总之，通过偏振光的研究实验，使我对光波传播规律的理解和认识更深了，对我的实验操作以及数据分析能力也有了一定的提高。