实验七偏振现象的观测与分析
偏振现象的观察与分析
特角亦称全偏振角.对于空气的折
射率n1=1.00,玻璃的折射率
n2=1.50, 布儒斯特角约为 =56.3.
1.平面偏振光的产生与检验
（2）利用晶体的双折射起偏
当自然光入射到某些各向异性晶体（如冰洲石、石英） 时,在晶体内折射后分解为两束平面偏振光,并以不同速度 在晶体内传播,这种现象称为双折射.在方解石、石英等晶 体内,都有一个特殊方向,光沿这个方向传播时,不发生双 折射,这个方向称为晶体的光轴,通过光轴并与晶体表面正 交的平面称为主截面.若入射面与主截面重合则双折射产 生的两束平面偏振光的振动面互相垂直,其中一束光的振 动垂直于晶体主截面,称为寻常光（简称O光）.另一束光 的振动平行于晶体的主截面,称为非常光（简称e光）,在 晶体内只有沿光轴方向传播时O光和e光的速度相等,而沿 其它方向传播时它们的速度不相等.
2
no
ne
l
(3)
波片与圆偏振光和椭圆偏振光
O光与e光为两个同频率、有固定相位差,互相垂直的振 动,则两光的波动方程为
x Ae sin t
(4)
y Ao sin( t )
(5)
式中Ao=Asin,Ae=Acos .从（4）、（5）二式中消去t,得
x2 y2 2xy cos sin 2
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.
1.平面偏振光的产生与检验
（1）利用反射（或透射）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。
偏振现象的观测与研究
偏振现象的观测与研究偏振现象是光波传播过程中的一个重要特性，它是指光波中电场方向的定向性和振动方向的确定性。
偏振现象的观测与研究对于理解光的本质、光的相互作用以及光在各种介质中的传播规律具有重要意义。
下面将从近代光学的发展、偏振现象的观测方法、偏振现象的研究内容三个方面对偏振现象的观测与研究进行详细讨论。
近代光学的发展对偏振现象的观测与研究提供了重要的基础。
19世纪末20世纪初，人们对光波本质的研究取得了重大突破，提出了电磁理论和光的波动性相关的理论。
光的波动性理论解释了光的干涉、衍射等现象，也为偏振现象的观测与研究提供了物理基础。
马克斯韦尔提出的电磁理论揭示了光波的电磁性质，提供了解释偏振现象的理论依据。
偏振现象的观测方法主要包括偏振镜、偏光片、双折射现象的观测以及干涉现象的观测等。
偏振镜是最基本的偏振现象观测仪器，它通过在光波传播过程中选择性地吸收或透射电场振动方向来实现对光的偏振状态的观测。
偏振板也是一个常用的偏振现象观测工具，它具有选择性吸收或透射特定方向光波的功能。
双折射现象是指光在非各向同性晶体中传播时发生的折射率不同的现象，它是偏振现象的重要表现形式之一、通过观察双折射现象，可以直接观测到光波的偏振性质。
干涉现象是指两束或多束相干光波叠加后产生的干涉条纹。
通过观测干涉现象，可以推断出光的偏振状态。
偏振现象的研究内容主要包括偏振光的性质、光的偏振变化以及光的偏振传播等方面。
偏振光的性质研究主要包括偏振光的振动方向、偏振光的强度、偏振光的偏振态等。
偏振光的振动方向是指光的电场方向，通常使用偏振片或偏光镜等偏振现象观测工具来确定。
偏振光的强度是指光的能量或光强在偏振方向上的分布情况。
偏振光的偏振态是指光在空间中的偏振分布状态，可以根据偏振分布函数来描述。
光的偏振变化研究主要包括光的偏振转换、偏振的旋转等。
光的偏振转换是指光在传播过程中由一个偏振状态转变为另一个偏振状态。
例如，当光波从空气垂直射向水平方向的介质时会发生偏振转换。
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1)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:2)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。
3)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)。
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。
2.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。
3.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。
4.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。
5.线偏振光的产生1)反射和折射产生的偏振2)根据布儒斯特定律, 当自然光以ib=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, ib称为布儒斯特角。
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现象的观察和分析引⾔：光的偏振现象有法国⼯程师马吕斯⾸先发现。
对光偏振现象的研究清楚地显⽰了光的横波性，加深了⼈们对光传播规律的认识。
近年来光的偏振特性在光调制器、光开关、光学计量、应⼒分析、光信息处理、光通信、激光、光电⼦器件中都有⼴泛应⽤。
本实验利⽤偏振⽚和1/4波⽚观察光的偏振现象，并分析和研究各种偏振光。
从⽽了解1/4波⽚和1/2波⽚的作⽤及应⽤，加深对光偏振性质的认识。
实验原理1、偏振光的种类。
光可按光适量的不同振动状态分为五类：（1）线偏振光（2）⾃然光（3）部分偏振光（4）园偏振光（5）椭圆偏振光使⾃然光变成偏振光的装置称为起偏器，⽤来检验偏振光的装置称为检偏器。
2、线偏振光的产⽣。
（1）反射和折射产⽣偏振⾃然光以 i B =arc tan n 的⼊射⾓从空⽓⼊射⾄折射率为n 的介质表⾯上时，反射光为线偏振光。
以 i B ⼊射到⼀叠平⾏玻璃堆上的⾃然光，透射出来后也为线偏振光。
（2）偏振⽚。
利⽤某些晶体的⼆向⾊性可使通过他的⾃然光变成线偏振光。
（3）双折射产⽣偏振。
⾃然光⼊射到双折射晶体后，出射的o 光和e 光都为线偏振光。
3、波晶⽚4、线偏振光通过各种波⽚后偏振态的改变。
在光波的波⾯中取⼀直⾓坐标系，将电⽮量E 分解为两个分量E X 和E y ，他们频率相同都为ω，设E y 相对E X 的相位差为?φ，即有E X =A x cos ωt （2）E y =A y cos(ωt +?φ) （3）由（2）、（3）两式得，对于⼀般情况，两垂直振动的合成为： e 轴O 轴θ光轴图 1E x2 A x2+ E y2A y22 E x2 E y2A x2A y2cos?φ=sin2?φ（4）注意对于线偏振光通过波⽚的情况?φ取决于o光和e光⼊射时的相位差和由波晶⽚引起的相位差δ之和；⽽ E X为线偏振光振幅E在o轴的分量， E y为e轴的分量。
从上⾯垂直振动合成的⼀般情况出发可以得出以下结论：（1）线偏振光的振动⽅向与波⽚的光轴夹⾓为θ或π/2，或者通过1/2波⽚仍为线偏振光。
偏振现象的观测与研究—报告模版
姓名、组号：
1.测量半导体激光器的偏振度：
Imax=
Imin=
2.验证马吕斯定律：
Theta(deg.)
I(μw)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
六、数据处理：
1.计算半导体激光器的偏振度。
2.由测量出的不同偏振化方向夹角θ下对应的透射光强I，作图验证I与θ满足马吕斯定律： 。
七、实验结论与讨论：
八：问答题
1、能否设计一个试验方案，把圆偏振光、自然光、圆直的起偏和检偏两片偏振片中插入 1/2 波片，使光轴和起偏器的透振方向平行，那么透过检偏的光是亮还是暗？为什么？将检偏器旋转90°，透出的光亮暗是否有变化？
指导教师批阅意见：
成绩评定：
预习
（20分）
操作及记录
（40分）
数据处理
25分
结果与讨论
5分
思考题
10分
总分
1、报告内的项目或内容设置，可根据实际情况加以调整和补充。
得分
教师签名
批改日期
深 圳大 学 实 验 报 告
课程名称：大学物理实验（2）
实验名称：偏振现象的观测与研究
学院：
组号：指导教师：
报告人：学号：
实验地点
实验时间：年月日星期
实验报告提交时间：
一、实验目的
二、实验原理：
三、实验仪器：
四、实验内容和步骤：.
1.测量半导体激光器的偏振度。
2.验证马吕斯定律。
偏振光现象的观察和分析
偏振光现象的观察和分析摘要本实验用半导体激光通过偏振片来产生线偏振光，使其分别通过1/4波片和1/2波片，通过测量不同方向上检偏器透过的光的强度，判断出出射光的偏振态。
并证实了线偏振光通过1/4波片可以产生线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光，通过1/2波片可以产生线偏正光，验证了马吕斯定律。
一、引言振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。
只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。
在垂直于传播方向的平面，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。
凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。
偏振光的典型应用是偏光式3D 技术，其普遍用于商业影院和其它高端应用。
二、实验原理1.偏振光的种类光是一种电磁波，由于电磁波对物质的作用主要是电场，故在光学中把电场强度E称为光矢量。
在垂直于光波传播方向的平面，光矢量可能有不同的振动方向，通常把光矢量保持一定振动方向上的状态称为偏振态。
如果光在传播过程中，若光矢量保持在固定平面上振动，这种振动状态称为平面振动态，此平面就称为振动面。
图1 电矢量垂直于纸面的偏振光图2 电矢量平行于纸面振光【1】光的五种偏振态：①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，②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。
③自然光：光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅相等。
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，若它们的频率相同并且有固定的位相差，则该点的合成振动的轨迹一般呈椭圆形。
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。
2.线偏振的产生（1）偏振片利用某些有机化合物的“二向色性”制成，当自然光透过这种偏振片后，光矢量垂直于偏振片方向的分量几乎完全被吸收，而平行方向的分量几乎完全通过，因此透射光基本上为线偏振光。
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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1
d n n
e o )(2-=λπ
δ
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。
若晶片的厚度使产生的相差δ＝（2k ＋1）π，k ＝0，1，2，…，这样的晶片称为半波片。
四、实验步骤
1、 固定N1转动N2，观察白屏上出现的现象；
2、 调节N1和N2正交，在N1, N2间平行放置半波片，以光线方向为轴将半波片转360度，记录出现消光的次数和相对N2的位置；
3、 使N1, N2正交，半波片的光轴和N1成α(10º或15º)角，转动N2使之再次消光，记录N2的位置，改变α角，每次增加10º或15º，同上测量，直至＝90º；
4、 记录以上步骤中所观察的现象。
五、问题与讨论
1、 起偏器和检偏器是不同的器件吗？
2、 半波片和半波带有什么区别？
这个问题的关键在于波片的光轴和起偏器偏振轴平行，线偏振光经过后不改变偏振方向。
我们知道线偏振光经过1/2波片偏振方向是要关于光轴（或者快轴，或者慢轴）对称的。
当线偏振光偏振方向平行或者垂直与快轴或者慢轴时，波片不起改变偏振态的作用，不仅1/2波片如此，其它波片也这样。
光的偏振是指光的振动方向不变，或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的现象.光的偏振最早是牛顿在1704～1706年间引入光学的；光的偏振这一术语是马吕斯在1809年首先提出的，并在实验室发现了光的偏振现象;麦克斯韦在1865~1873年间建立了光的电磁理论,从本质上说明了光的偏振现象 .按电磁波理论,光是横波，它的振动方向和光的传播方向垂直。
实际中最常见的光的偏振态大体为五种，即自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏娠光和椭圆偏振光。
自然光是各方向的振幅相同的光，对自然光而言，它的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内可取所有可能的方向，没有一个方向占有优势.若把所有方向的光振动都分解到相互垂直的两个方向上，则在这两个方向上的振动能量和振幅都相等.线偏振光是在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿一个固定方向振动。
起偏器是将非偏振光变成线偏振光的器件；检偏器是用于鉴别光的偏振光状态的器件。
偏振光在科研和生活各个方面得到了广泛的应用。
例如利用透振方向与线偏振光振动方向垂直的检偏器会使线偏光消光的特点所设计汽车的前灯和前窗玻璃，既可看清自己车灯发出的光，又可消除迎面来车的灯光；利用线偏振光通过旋光物质后，偏振光的振动面会发生旋转这个特性制作的旋光计可以用来测量糖溶液的浓度；在广泛使用的计算器、液晶显示器所采用液晶显示技术中也利用到了光的偏振。
（注：本资料素材和资料部分来自网络，仅供参考。
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