偏振现象的观察和分析
实验七偏振现象的观测与分析
实验七 偏振现象的观测与分析一、实验目的1 观察光的偏振现象，加深对偏振光的了解；2 掌握产生和检验偏振光的原理和方法。
二、实验仪器氦氖激光器、偏振片（2片）、半波片、光屏、凸透镜三、实验原理1 能使自然光变成偏振光的装置或器件，称起偏器；用来检验偏振光的装置或器件，称检偏器。
按光的振动状态不同，可分为自然光，线偏振光，部分偏振光，圆偏振光和椭圆偏振光。
沿同一方向传播的两列频率相同的线偏振光，如果他们的振动方向垂直且具有固定的相位差ΔΦ，当ΔΦ＝k π （k ＝0，±1，…）合成光矢量末端的轨迹是一条直线，称为线偏振光，当ΔΦ＝（2k ＋1）π/2 ，且振幅相等时，合成光矢量末端的轨迹是圆，称为圆偏振光，其它情况当 ΔΦ≠k π和ΔΦ≠（2k ＋1）π/2 时则为椭圆偏振光。
如图1所示。
（其中点表示垂直于纸面振动的光，直线为平行于纸面振动的光）2 偏振片：对某一方向的光有强烈的吸收，而对与之垂直的光振动则吸收很少，这样的波片称偏振片。
因此偏振片基本上只允许某一特定方向的光振动通过，这一方向称之为偏振片的偏振方向。
3 由晶体双折射产生偏振一束光照射到晶体上会产生双折射现象，出来两束光线，一束o 光，一束e 光。
O 光遵从折射定律，e 光不遵从折射定律。
光轴：晶体内存在一个特殊方向，光沿该方向传播时不产生双折射现象。
主平面：由光线和光轴组成的平面。
O 光的光振动垂直与主平面，e 光的光振动在主平面内。
4 半波片的原理如图（2）所示，当振幅为A 的平面偏振光垂直入射到表面平行光轴的双折射晶片时，若振动方向与晶片光轴的夹角为α，则在晶片表面上o 光和e 光的振动分别为Asin α 和Acos α，它们的相位相同，进入晶片后，o 光和e 光虽然沿同一方向传播，但具有不同的速度，因此，经过厚度为d 的晶片后，o 光和e 光之间将产生相差δ。
而且有：自然光： 部分偏振光： 线偏振光： 图1d n ne o )(2-=λπδ式中λ表示光在真空中的波长，no 和ne 分别为晶体中o 光和e 光的折射率。
偏振现象的观察与分析
1.观察光的偏振现象,巩固理论知识. 2.掌握产生与检验偏振光的原理和方法.
仪器及用具
分光计、纳光灯、偏振片、1/4波片、 半波片和平面镜等.
原理
光是一种电磁波,它的电矢量E和磁矢量H相互垂 直,且均垂直于光的传播方向.通常用电矢量E代表 光的振动方向,并将电矢量E和光的传播方向所构成 的平面称为该偏振光的振动面.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.若振动只是在某一确定的方向上占 有相对优势,则称为部分偏振光.还有一些光,它的振 动面和电矢量随时间作有规律的变化,而电矢量末端 在垂直与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.
光强I始终不变,则此入射光为自然光.而圆偏振光经过四分之一
波片后,成为一线偏振光.在旋转检偏器时,可以观察到(1)中所 述现象.
偏振光的鉴别
(3)椭圆偏振光与部分偏振光的鉴别
在检偏器的前加一个1/4波片,然后旋转偏振器进行观察,此 时1/4波片的光轴应与只用检偏器观察时透射光为极大或极 小的方向重合,此时若有一位置视场全暗,则入射光为椭圆 偏振光,否则为部分偏振光.
3.波片与圆偏振光和椭圆偏振光
波片由正晶体或负晶体制成,常用来改变光的偏振状态. 当一束振幅为A的线偏振光垂直入射到表面平行于光轴的晶
片上，且光的振动面与晶片光轴夹角为时，则在晶片表面 上，偏振光O光与e光的振幅分别为Asin与Acos.二光传播
的方向相同,但这两束振动面互相垂直的光由于在晶体中传 播速度不同，因而会产一位相差.设晶片厚度为l,晶体对O光 的折射率为n0,对e光的折射率为ne,于是经晶片射出后O光、 e光的位相差为
实验内容
鉴别自然光和偏振光 反射起偏
偏振光现象的观察和分析
偏振光现象的观察和分析偏振光的观察可以通过一些特定的实验装置来实现。
例如，可以使用偏振片和分析器来检测光的偏振状态。
偏振片是一种光学元件，它能够选择性地通过振动方向与特定方向相同的光，而将其他方向的光消除或减弱。
这样，当光通过偏振片时，只有特定方向的光能通过，其他方向的光被过滤掉了。
而分析器是另一种偏振片，在实验中用于检测偏振光。
当通过偏振片的光到达分析器时，如果它们的振动方向相同，那么光将能够通过分析器，我们可以观察到透过分析器的光强度。
如果它们的振动方向不同，那么光将被分析器阻止通过，我们将观察不到通过分析器的光。
通过使用偏振片和分析器的实验装置，可以进行一系列的观察和分析。
首先，我们可以通过调整偏振片和分析器之间的相对角度来观察最大和最小光强的变化。
当振动方向相同时，光强度最大，当振动方向垂直时，光强度最小。
通过这一观察结果，我们可以得出结论，光强度与振动方向之间存在关联。
其次，我们可以观察光的偏振状态的改变。
例如，可以用线性偏振光源辐射出一个固定方向的偏振光，然后通过一系列的偏振片和分析器来调整光的偏振状态。
通过观察光在不同偏振状态下的传播特性，我们可以了解光的偏振性质以及不同偏振状态下光的行为差异。
除了观察外，我们还可以进一步分析偏振光的性质。
例如，通过使用偏振片和分析器，我们可以测量通过透过分析器的光强度，并进一步计算出偏振光的偏振度。
偏振度是一种度量光偏振状态的物理量，它可以用来描述光的偏振程度。
对于完全偏振的光来说，其偏振度为1，而对于完全偏振的光来说，其偏振度为0。
此外，偏振光的观察和分析还可以应用于实际生活中的一些领域。
例如，在电子显示技术中，液晶显示器使用偏振器和光调制器来控制光的偏振状态，从而实现图像的显示和切换。
在光通信中，偏振光也被广泛应用于光纤传输和光信号处理中，以提高传输速率和信号质量。
总之，偏振光现象的观察和分析可以帮助我们更深入地了解光的性质和行为。
通过观察光的光强度变化以及偏振状态的改变，我们可以探索光的偏振性质和对其进行分析。
实验要求-偏振现象的观测和分析-2011-9
北京师范大学物理实验教学中心普通物理实验室偏振现象的观测和分析实验仪器：激光器，光电接收器，偏振片2个，1/2波片，1/4波片，玻璃片，白屏。
实验要求：一、 线偏振光的产生与检验激光器做光源，光电接收器前放偏振片1、2。
将上述仪器调等高共轴。
旋转偏振片2 (即检偏器)，定性观察强度的变化，几个零值。
从某个光电流为零的位置开始，旋转偏振片2一周，每隔150记录一次光电流的数值。
在坐标纸（直角坐标或极坐标）上画出光强随检偏器角度的变化图，并解释实验结果。
提示：在光强最强处选择合适的光电接收器量程，在无光照射条件下校准零点，测量过程不要改变量程。
二、 波片性能的测定1. 1/2波片的研究（1）调节偏振片2，使得透射光最小（消光）。
在两偏振片之间加入1/2波片，旋转1/2波片，使透射光强最小，记录下波片和偏振片2的位置（角度）。
（2）1/2波片改变一定的角度Δθ（比如....40,30,20,10 ），旋转检偏器，测量光强最小时检偏器相对初始位置的角度变化Δφ。
研究Δφ与Δθ之间的关系。
总结线偏振光透过1/2波片后偏振状态的变化规律。
2．1/4波片的研究（1）取下1/2波片，旋转检偏振片使光电流为零，记录此时检偏振片的角度。
把1/4波片放到两偏振片中间，旋转波片一周，记录光电流为零时的次数和角度，求出相对入射线偏振光振动方向间的角度。
（2）从某个光电流为零的位置开始，把1/4波片转过150，记录光电流数值。
旋转检偏振片一周，每隔150记录一次电流值。
画出光强极坐标分布图，说明实验结果所反映的波片性质。
（3）从某个光电流为零的位置开始，把1/4波片转过450，记录光电流数值。
旋转检偏振片一周，每隔150记录一次电流值。
画出光强极坐标分布图，说明实验结果所反映的波片性质。
三、 平面镜反射起偏，Brewster 角的测量（选做）将玻璃片放置在载物台上，使激光经过起偏器后在玻璃面上反射，用白屏接收观察反射光的起偏程度。
偏振现象的观察与分析
偏振现象的观察与分析➢引言1809年，法国工程师马吕斯在实验中发现了光的偏振现象。
对于光的偏振现象研究，使人们对光的传播（反射、折射、吸收和散射等）的规律有了新的认识。
特别是近年来利用光的偏振性所开发出来的各种偏振光元件、偏振光仪器和偏振光技术在现代科学技术中发挥了极其重要的作用，在光调制器、光开关、光学计量、应力分析、光信息处理、光通信、激光和光电子学器件等应用中，都大量使用偏振技术。
本实验通过一系列的观察与测量，要求学生学习产生和鉴别各种偏振光并对其进行观察、分析和研究的方法，从而了解和掌握偏振片、1/4波片和1/2波片的作用和应用，加深对光的偏振的性质的认识。
➢实验原理1．偏振光的种类光是电磁波，它的电矢量E和磁矢量H相互垂直，且都垂直于光的传播方向。
通常用电矢量代表光矢量，并将光矢量和光的传播方向所构成的平面称为光的振动面。
按光矢量的不同振动状态，可以把光分为五种偏振态：1)自然光：在与光传播方向垂直的平面内，包含一切可能方向的横振动，即光波的电矢量在任一方向上具有相同的振幅。
普通光源发光的是自然光。
2)线偏振光：在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持在同一平面内，这种光称为线偏振光（或平面偏振光)。
3)部分偏振光：光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不等，在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，这种光称为部分偏振光。
自然光和部分偏振光实际上是由许多振动方向不同的线偏振光组成。
4)椭圆偏振光：在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动，且电矢量端点描出一个椭圆轨迹，这种光称为椭圆偏振光。
5)圆偏振光：旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光的特殊情形。
能使自然光变成偏振光的装置或器件，称为起偏器；用来检验偏振光的装置或器件，称为检偏器。
2.线偏振光的产生1)反射和折射产生的偏振根据布儒斯特定律，当自然光以i b=arctan n的入射角从空气或真空入射至折射率为n的介质表面上时，其反射光为完全线偏振光，振动面垂直于入射面，而透射光为部分偏振光，i b称为布儒斯特角。
光的偏振现象的解释与实验
光的偏振现象的解释与实验光的偏振现象是光学中重要的研究内容之一。
它关注光波在传播过程中振动方向的变化。
具体而言，光的偏振是指光波中电场矢量的方向，在特定的空间位置和时间上发生改变的现象。
在本文中，将详细介绍光的偏振现象的解释以及通过实验来观察和验证这一现象。
一、光的偏振现象的解释光的偏振现象可以通过光的电磁性质来解释。
根据麦克斯韦方程组，光波是由电场和磁场交替变化而形成的。
而在偏振现象中，我们主要关注光波的电场矢量的方向变化。
光波会沿着一定的传播方向传播，而其电场矢量可以振动的方向却不是随意的，在某些情况下会有特定的取向。
这种特定的电场矢量振动方向就是偏振态。
根据光波的振动方向，可以将光分为线偏振光、圆偏振光和无偏振光等。
线偏振光是指电场矢量沿着一条直线方向振动的光。
可以通过特定的装置，例如偏振片，来筛选出线偏振光。
圆偏振光是指电场矢量在传播过程中呈现出旋转的方式。
无偏振光则是电场矢量在各个方向均匀分布的光。
二、实验观察光的偏振现象要观察和验证光的偏振现象，我们可以进行光的偏振实验。
下面介绍两种常见的实验方法。
1. 马吕斯交叉实验马吕斯交叉实验是一种常见的观察光的偏振现象的实验方法。
它利用了两个偏振片的相对方向和角度来筛选线偏振光。
具体实验步骤如下：首先，将两个偏振片（偏振片A和偏振片B）相互垂直放置。
然后，将偏振片A对准光源，使光通过偏振片A后成为线偏振光。
接着，将偏振片B放置在观察屏幕上方。
当两个偏振片的方向相同时，即平行放置，可以观察到明亮的光斑。
当两个偏振片的方向垂直时，即交叉放置，可以观察到暗淡的光斑。
这一实验结果表明，当两个偏振片的方向一致时，光可以通过；当两个偏振片的方向垂直时，光无法通过。
从而验证了光的偏振现象存在。
2. 旋转偏振片实验旋转偏振片实验也是一种常用的方法来观察和验证光的偏振现象。
这种方法通过改变偏振片的旋转角度，来观察光的透过程度的变化。
具体实验步骤如下：首先，准备一个光源和一个偏振片。
光的偏振现象解析
光的偏振现象解析光的偏振现象是指光波在传播过程中的振动方向与传播方向有关，可以被分为线偏振、圆偏振和无偏振三种类型。
这些现象在光学、电磁学等领域具有重要的应用价值。
本文将对光的偏振现象进行深入分析，并介绍相关的实验方法和应用。
一、偏振光的特性偏振光是指在某一特定方向上振动的光波，其振动方向与波的传播方向垂直。
线偏振光的振动方向呈直线，圆偏振光的振动方向绕着传播方向旋转，而无偏振光则是在所有方向上都振动。
1.1 偏振片的原理偏振片是实现偏振光分析和利用的重要器件。
其工作原理是利用介质的吸收和透射特性来选择特定方向的光波。
通过交叉叠加两个偏振片，可以实现对光的完全消光或透振。
1.2 偏振光的产生方式偏振光可以通过自然光的偏振过滤、偏振器和波片等器件产生。
自然光在经过一系列反射、折射、散射等过程后，会出现特定方向的振动。
利用偏振片、偏振器和波片可以实现对光的偏振控制，从而产生偏振光。
二、偏振现象的实验方法为了观察和研究光的偏振现象，科学家们发展了多种实验方法和技术手段。
以下列举几种常见的实验方法：2.1 通过偏振片观察现象将偏振片与光源或光波进行组合，通过观察透过偏振片的光强变化来判断光的偏振状态。
这种方法简单易行，适合初学者体验和理解偏振现象。
2.2 干涉法利用光的干涉现象可以对光波的偏振进行测量和分析。
通过干涉条纹的变化来判断光的偏振状态和振动方向。
2.3 偏振分析仪偏振分析仪是一种专门用于观测和测量偏振现象的仪器。
通过精密的光学设计和测量手段，可以确定光的偏振状态和振动方向。
三、偏振现象的应用光的偏振现象在科学研究、光学仪器以及生产制造等领域有广泛的应用。
3.1 偏振滤光器偏振滤光器可以用于减少自然光的强度，过滤掉特定偏振方向上的光波，从而实现光的选择传输。
3.2 光通信偏振光在光通信中起到重要的作用，由于其振动方向稳定，可以提高光信号的传输质量和可靠性。
3.3 光学显微镜光学显微镜利用偏振现象来增强样品的对比度和显示细节。
实验六偏振光的观测与分析
实验六偏振光的观测与分析引言：偏振光是一种特殊的光，它的电场在振动方向上只有一个方向。
偏振光的观测与分析在光学实验中十分重要，可以用来研究光的传播和相互作用。
本实验旨在通过观察和分析偏振光的特性，探究光的偏振现象及其在光学中的应用。
实验过程：1. 准备工作：将实验所需仪器和材料准备齐全，包括偏振光源、偏振片、定标尺、平面镜、倾斜角度调节装置等。
2. 实验装置搭建：将偏振光源放置在实验台上，与一组偏振片相连，并通过倾斜角度调节装置将光线投射到平面镜上，再经过第二组偏振片最后观察。
3. 观察光强的变化：在第二组偏振片上，逐渐改变两组偏振片之间的角度差，仔细观察光线通过第二组偏振片后的光强变化情况。
4. 记录实验数据：将观察到的光强变化情况以及角度差记录下来，方便后续的数据分析。
5. 分析光的偏振状态：根据实验数据分析得到的光强变化规律，判断光的偏振状态。
比如，当两组偏振片之间的角度差为90°时，通过观察到的最大的光强变化可以判断光的振动方向。
6. 数据处理：将实验数据进行处理，并绘制出相应的图表，以更直观地表示光的偏振状态和规律。
7. 拓展实验：可以进一步观察不同类型的偏振片对光的偏振状态的影响，以及探究光的偏振与介质的相关性等。
实验原理：1. 光的电场矢量：光的电场在空间中的分布状态可以用电场矢量表示。
如果电场矢量在振动方向上只有一个方向，那么光就是偏振光。
2. 偏振片：偏振片是用来筛选偏振光的光学元件，它具有特殊的结构和材料，可以选择性地传递或者吸收特定方向的偏振光，将其他方向的光过滤掉。
3. 马吕斯定律：马吕斯定律描述了光通过两组偏振片的情况。
根据马吕斯定律，当两组偏振片的振动方向垂直时，透射光最弱；当两组偏振片的振动方向平行时，透射光最强。
4. 相位差和光强的关系：对于偏振光，相位差的变化会直接影响透射光的光强。
当两组偏振片的振动方向相差90°时，透射光的光强变化最为显著。
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ii
G的反射光为垂直入射面的振动较强的部分偏振光。 以反射光的传播方向为轴旋转偏振片N，当透过光强极大时偏振片的主截
面和反射光的振动较强的偏振面一致。
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光学实验
2、验证马吕斯定律
使N1N2正交，记录照度计上的示值，将检偏器N2每转一角度（100） 记录一次，直至转动900为止，重复3次。数据表格如下：
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光学实验
四. 圆偏振光和椭圆偏振光的产生
波片：是从单轴双折射晶体上平行于光轴方向切下的薄片
e
o
若平面偏振光垂直入射 波片，且其振动面与波
片的光轴夹角为 时，
则在波片内入射光就分
解为振动方向互为垂直
的两束平面偏振光，称
双折射现象
为o 光和e 光.
2
(n0
ne )d
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A 2
2 P2的透
振方向
P1
A1 sin
A1
P2
将A1 分解为A1cosθ和A1sinθ，其中只有平行于检
A2 A1 cos
偏振A2分量可以通过检偏器。透过检偏器的光强为 I2=I1cos2θ——马吕斯定律
当θ为0 或 π 时，透射光最大；而当θ为π/2或 3π/2 时，透射光强为零，即当检偏器转动一周时 会出现两次消光现象。
偏振光的振动面与半波片光轴的交角为α，则从波片透射出的光仍为平 面偏振光，但其振动面相对于入射光的振动面转过2α角。
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光学实验
实验内容与步骤
偏振片的主截面：偏振化方向和光的传播方向 所对应的平面叫做与这条光线相对应的主截面
1、确定偏振片的主截面。
自然光在两各向同性媒介分界面上反射 时，反射光为部分偏振光，且反射光垂 直入射面的振动较强。
用偏光镜消除了反射 偏振光 使玻璃门内的
人物清晰可见
光学实验
实验原理
光的波动的形式在空间传播属于电磁波，
它的电矢量E与磁矢量 H 相互垂直。E 和 H 均垂直于光的传播方向，故光波是横波。
实验证明光效应主要由电场引起，所以电
矢量 E 的方向定为光的振动方向。
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光学实验
一. 几种光
二. 平面偏振光的产生
（1）非金属表面的反射和折射 光线斜射向非金属的光滑表面如水、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
物质的性质。当入射角 满足关系：
tan n
布如斯特定律
时，反射光为平面偏振光。此时入射角 称为起偏角，n
为反射物质的折射率。
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θ（0） 90 ………..
0
I（lx）
作光强 I 随cos2θ 的变化图，验证马吕斯定律。
注意：θ 为起偏器N1 的偏振化方向和检偏器N2的 偏振化方向的夹角。 N1N2正交时θ＝900
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光学实验
3、圆偏振光和椭圆偏振光的产生和检验
（1）使用图4装置，调N1、N2正交使通过的光消失，在N1、N2间和 N1平行放置1/4波片； （2）以光线方向为轴转动波片消光； （3）转动N2 3600，观察并记录现象； （4）再将1/4波片从消光位置转过15度、 30度、45度、60度、75 度、90度，以光线方向为轴每次将N2转3600,记录观测到的现象，记 录光强最大值和最小值。
当偏振片旋转时.
I不变？是什么光 I变，有消光？是什么光
I变，无消光？是什么光
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光学实验
三、平面偏振光通过检偏器后光光强的的变偏化 振
偏振光在通过检偏器后其光强如何变化？
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光学实验
三. 平面偏振光通过检偏器后光强的变化
I0
P1
I1 P2
A1
P1的透振方向
I
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光学实验
用1/4波片观察光强变化表
1/4波片转 N2转一周,透射光强是否变化?
角
如何变化？
0° 15° 30° 45° 60° 75° 90°
Imax(lx) Imin(lx)
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光学实验
注意事项
1、激光器需预热半小时。 2、调节各光学元件的等高共轴。
实验思考
光学实验
当 1 (2k 1) , k 0,1, 2, 时，晶体称为1/4波片。一般从1/4波片
透射出的2光为椭圆偏振光，但是，当其振动面与波片的光轴夹角为 α=0 或
α=π/2时，透射光为平面偏振光；当其振动面与波片的光轴夹角为 α=π/4， 透射光为圆偏振光。
当 (2k 1) , k 0,1, 2, 时，晶体称为半波片。如果入射平面
光矢量
E
传播方向
线偏振光的表示方法
·
振动面
面对光的传播方向看
(4）圆偏振光和椭圆偏振光
光波电矢量随时间作有规则的改变，且电矢量末端在垂直于 传播方向的平面上的轨迹呈圆形或椭圆形的光为圆或椭圆偏 振光.它们都可以看作是两个振动面相互垂直的、有一定相 位差的线偏振光的叠加。
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光学实验
光学实验
（3）由晶体双折射产生偏振
光进入各向异性介质（晶体）时，
双折折射射现现象 介质中出现两束折射光线的现象
叫做双折射。
iC
C
O光 e
光
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o光为寻常光， 遵守折射定律 ； e光为非寻常光， 不遵守折射定律
光学实验
检偏
用偏振器件分析、检验光的偏振态.
P
待检光
I
?
偏振化方向 (透光方向)
偏振现象的观察和分析
光学实验
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光学实验
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
氦氖激光器 偏振片 1/4波片 硅光电池 照度计 玻璃片 支架
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光学实验
玻璃门表面的 反光很强
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（1） 自然光
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。
•自然光的表示法
（2）部分偏振光
面对光的传播方向看
在某一方向振动占优势的光称为部分偏振光.
面对光 的传播 方向看
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•部分偏振光的表示法
光学实验
（3）线偏振光或平面偏振光 只在某一固定方向振动的光称为线偏振光或平面偏振光。
1．如何调节各元件的等高共轴？本实验各元件不能等高共 轴但要尽量共轴，为什么？
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光学实验
光学实验
（2）偏振片产生平面偏振光
产生偏振光的光学器件称为起偏器。常见的起偏器：偏振片
偏振片：涂有二向色性材料的透明薄片。它允许透过某一电 矢量振动方向的光（此方向称为偏振化方向），而吸收与其 垂直振动的光。
起偏示意图：
P 自然光I0
···
1 I 2 I0
偏振化方向 (透光方向)
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