实验要求-偏振现象的观测和分析-2011-9
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
偏振现象的观测与研究
偏振化方向
实验原理/起偏与检偏、马吕斯定律
偏振化方向
P1
P2
θ
θ
偏振化方向
起偏
检偏
I = I0 cos2 θ
——马吕斯定律
振动方向 E = E0 cosθ
当 θ = 0o 时 I = I0 当θ = 90o时 I = 0
实验内容/3.1 检验激光的偏振度
偏振片 半导体激光
P
光功率计
检验偏振度
实验内容/3.2马吕斯定律的验证
偏振片 偏振片
半导体激光 P
P
光功率计
验证马吕斯定律
数据记录表格
表:1：半导体激光器的偏振度测量
1
2
4
5
Imax（μw） Imin（μw）
平均
I -I max min P= ---------
I +I max min
α
0° 5° 10° 15° 20° 25° 30° 35° 40° 45° 50° 55° 60° 65° 70° 75° 80° 85° 90°
一 实验目的
光的偏振在生活、生产和科研实践中有许多重要应 用，如摄影、立体电影、液晶显示都用到了光的偏 振。
1、通过验证马吕斯定律，初步认识光的偏振现象及 偏振状态，掌握起偏检偏的方法， 2、好需要学习计算机作图和函数拟合的方法。 3、通过测量偏振度，了解激光的偏振状态
二 实验原理/2.1光的偏振性
(2)部分偏振光：振动在某一方向上较强。
自然光
完全偏振光
部分偏振光
实验原理/2.2 光的偏振状态
偏振度的定义： P = I max − I min
+ I max I min
偏振光现象的观察与检验
偏振光现象的观察与检验光偏振现象的观察和检验⼀、实验⽬的1.观察光的偏振现象，了解偏振光的种类；2.掌握偏振光的产⽣及检验⽅法；3.了解波⽚的作⽤。
⼆、实验器材氦氖激光光源（1个），1/2波⽚（1⽚），1/4波⽚（1⽚），偏振⽚（2⽚），底座（4个），光电转换器（1个）。
三、实验原理（⼀）偏振光的种类光是电磁波，光的偏振现象表明光是⼀种横波，即电磁振动⽅向与光的传播⽅向垂直。
光作为电磁波，光波中含有电振动⽮量和磁振动⽮量，就光与物质的相互作⽤⽽⾔，起主要作⽤的是电⽮量，通常称电⽮量为光⽮量。
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。
根据光⽮量的振动状态，可以把光分为五种偏振态，结合图15-1认识下⾯⼏种偏振态的概念：1.⾃然光：如果在垂直于光的传播⽅向的平⾯内，光⽮量的振动⽅向是⽆规则地变化着的，且发⽣在各个⽅向的概率均等，即各个⽅向的平均振幅相等,称此种光为⾃然光。
2.部分偏振光：如果某些⽅向光⽮量的平均振幅较⼤，某些⽅向光⽮量的平均振幅较⼩，则称为部分偏振光。
3.线偏振光：如果光⽮量沿着⼀个固定⽅向振动，则称此种光为线偏振光或称平⾯偏振光。
4.椭圆偏振光：光⽮量的⼤⼩和⽅向都作规则的变化，在垂直于光的传播⽅向的平⾯内，光⽮量的⽮端运动轨迹是椭圆，称此种光为椭圆偏振光。
5.圆偏振光：当椭圆偏振光中光⽮量的⼤⼩不变，只是⽅向作规则的变化，光⽮量的⽮端运动轨迹是圆，称此种光为圆偏振光。
（⼆）线偏振光的产⽣1.⽤偏振⽚来获取线偏振光偏振⽚是⼀种具有⼆向⾊性的晶体，所谓⼆向⾊性是指该晶体对两个相互垂直振动的光⽮量具有不同的吸收本领。
当⾃然光通过⼆向⾊性晶体时，其中⼀⽅向的振动⼏乎完全被吸收，则透射出来的光为线偏振光。
2.反射和折射产⽣偏振光根据布儒斯特定律，当⾃然光以=arctan n的⼊射⾓⼊射到折射率为n的玻璃表⾯上时，其反射光为完全的线偏振光，振动⾯垂直于⼊射⾯，称为布儒斯特⾓。
此时透射光为部分偏振光，如果⾃然光以⾓⼊射到⼀叠平⾏玻璃⽚堆上，则经过多次反射和折射，最后从玻璃⽚堆透射出来的光也接近于线偏振光。
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内，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内，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内，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。
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。
偏振现象的观测与分析
实验十二 偏振现象的观测与分析实验目的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。
实验仪器氦氖激光器，偏振片， 波片，玻璃片和支架。
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。
１．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α与反射物质的折射率n 的关系是n =αtan （5－10－1）称为布如斯特定律，如图5—10—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。
（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排列方向的光振动通过，因而产生线偏振光，如图5—10—2所示。
分子型偏振片的有效起偏范围几乎可达到180－１—图５10１０－２—图５度，用它可得到较宽的偏振光束，是常用的起偏元件。
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5—10—3所示，图中)(a 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。
偏振现象的观察与分析实验报告
偏振现象的观察与分析实验报告偏振现象的观察与分析实验报告引言：偏振现象是光学中一个重要的现象，它指的是光波在传播过程中，由于光波的电矢量在空间中的振动方向不同，导致光波的偏振状态发生变化。
通过对偏振现象的观察与分析实验，我们可以深入了解光的性质以及光与物质的相互作用。
实验目的：本次实验的目的是通过观察和分析不同光源的偏振现象，探究光的偏振性质，并进一步了解光的传播规律。
实验装置：实验装置主要包括：偏振片、光源、偏振片旋转台、偏振片检偏器、光屏等。
实验步骤：1. 将光源置于实验装置的一端，调整偏振片旋转台，使其与光源之间呈45度夹角。
2. 在光源的另一侧放置一块偏振片，将其与光源之间呈90度夹角。
3. 调整偏振片旋转台，观察光源通过两块偏振片后的光强变化情况。
4. 将偏振片检偏器放置在光屏的一侧，调整其角度，观察光通过检偏器后的光强变化情况。
实验结果与分析：通过实验观察和记录，我们得到了以下实验结果和分析：1. 光源通过偏振片后的光强变化情况：当光源通过第一块偏振片时，我们观察到光强发生了明显的变化。
当两个偏振片的振动方向平行时，光强最大；当两个偏振片的振动方向垂直时，光强最小。
这表明光源发出的光是具有偏振性质的。
2. 光源通过检偏器后的光强变化情况：在第一部分实验的基础上，我们进一步将偏振片检偏器放置在光屏的一侧。
通过调整检偏器的角度，我们观察到了光强的变化。
当检偏器的振动方向与第一块偏振片的振动方向平行时，光强最大；当检偏器的振动方向与第一块偏振片的振动方向垂直时，光强最小。
这说明检偏器可以选择性地通过或阻挡特定方向的偏振光。
实验结论：通过以上实验观察和分析，我们可以得出以下结论：1. 光源发出的光具有偏振性质，其振动方向可以通过偏振片的旋转来调节。
2. 偏振片检偏器可以选择性地通过或阻挡特定方向的偏振光，从而改变光的偏振状态。
3. 光的偏振现象与光的传播方向、振动方向以及介质的性质等因素有关。
偏振现象的观察与分析
偏振现象的观察与分析【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．掌握产生与检验偏振光的原理和方法。
【实验仪器】偏振实验箱【实验原理】一．偏振光的概念光的波动的形式在空间传播是一种电磁波，它的电矢量E与磁矢量H相互垂直。
矢量E和矢量H均垂直于光的传播方向Z,属于横波。
实验证明光效应主要由电场引起的,所以电场矢量E的方向定为光的振动方向。
自然光源(如日光,各种照明灯等等) 发射的光是由构成这个光源的大量分子或原子发出的光波合成的。
这些分子或原子的热运动和辐射是随机的, 它们所发射的光振动,出现在各个方向的几率相等,所以这样的光源发射的光对外不显现偏振性质,称之为自然光。
自然光经过媒质的反射,折射或者吸收以后,在某一方向上振动加强成为部分偏振光。
如果光在传播过程中,振动始终被限制在某一确定的平面内,称为平面偏振光,也称线偏振光或完全偏振光。
偏振光电矢量E的端点在垂直于传播方向的平面内运动轨迹是一圆周的称为圆偏振光,是一椭圆的则称为椭圆偏振光。
二．获得线偏振光的方法自然光变成偏振光称作起偏,可以起偏的器件分为透射式和反射式两种。
(1)透射式起偏如上图，设光强为I 0的自然光照在一偏振片（起偏器）上，则自然光中振动方向与偏振片透振方向相同的电矢量以及其它方向的电矢量在这个方向的分量才能通过，成为线偏振光，因此光强变为21 I 0。
然后再照射在第二块偏振片（检偏器）上，该偏振片的透振方向与起偏器的透振方向夹角为θ，则出射光光强为：θ20cos 21I I = 这就是马吕斯定律 (2)反射式起偏自然光在两种媒质的界面处,如玻璃和空气的界面处反射和折射,当入射角为某一特定值时,反射光可以成为线偏振光,振动方向垂直于入射面, 与界平面平行,折射光为部分偏振光，这种现象由布儒斯特(Brewster) 首先发现,因此称为布儒斯特角,即起偏角。
根据折射定律可得： 12210101010sin sin cos sin n n i i i i tgi ===此式就是布儒斯特定律。
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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。
旋转偏振片找到光强极小位置，转动载物台，仔细找到光强为零的角度（探索调节的方法，理论上应该能够消光），记录游标读数1θ；转动载物台，让激光从平板玻璃的另一个反射面入射，旋转
偏振片找到光强极小位置，转动载物台，仔细找到光强为零的角度，记录游标读数2θ。
则Brewster 角为21
22--θθπ。
求玻璃的折射率。
注意：
1、眼睛安全：严禁直视激光器！仪器安全：禁止手摸玻璃仪器表面。
2、由于激光有相当大的偏振度，只有透射光很强而反射光很弱时才能保证达到了Brewster 角。
课后问题：
如何判别圆偏振光和自然光？给出实验方案和预期结果。