偏振光的定量分析
偏振光实验的定量测量
俄刃 张 连 芳 物理 实验 教 程
,
,,,源自,北 京 清华 大 学 出版 社
北 京 北 京 大 学 出版 社
,
吕斯 界 段 家 低
,
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基 础 物 理 实验 【
,
〔〕 沈 元华 陆 申龙 基 础 物理 实 验 【 」 北 京 高等 教 育 出版 社
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年 全 国高校 非 物理 类 专 业 物 理 教育 学 术研讨 会论 文集
一
偏 振 光 实 验 的 定量 测 量
周 红 杨文明
沈 学浩
,
杨卫群
赵铁 松
上 海交 通 大 学 物理 系 上 海
摘
要
介 绍 了 定 量 研 究 线偏 振 光 通 过
,
波 片 后 出 射 光 的 偏 振 状 态 的 实验 方 法
、
同时 也 为 提 高 接 收光光 强 选 用 的 发 光二 极 管 为 发 射 角 小 波 长 较 接 近
,
的 红 色高超 亮 发 光 二 极 管 其 波 长 为
年 全 国 高校 非物 理 类 专业 物理 教育学 术研 讨会 论文 集
光源
透镜
起 偏器
检偏器 透镜
硅光 电池
接 侧量 电路
图
,
实 验装 置 示 意 图
,
由 于 测 量 到 的 硅 光 电池 短 路 电流 较小 特 别是 当光 强 变到 很 弱 时 短 路 电 流 仅 为零 点几 个
拜
,
这 就造 成 了 测 量 值 的有 效 位 数 太 少 测 量 精度 太 低 等 问题 为 提 高 测量 精 度 本 实验 采 用 了
,
、
、
利用光学仪器观察光的偏振现象
利用光学仪器观察光的偏振现象光是一种电磁波，通常被描述为电场和磁场的正交振动。
而光的偏振现象是指光波中电矢量在特定方向上振动的现象。
为了观察和研究光的偏振现象，科学家们发展了各种光学仪器。
本文将介绍几种常用的光学仪器，以及利用这些仪器观察和分析光的偏振现象的方法。
一、偏振片偏振片是用于观察和控制光的偏振状态的最基本工具之一。
它通过一个特殊的材料制成，能够选择性地允许某个偏振方向的光通过，而阻挡其他方向的光。
常见的偏振片有线性偏振片和圆偏振片两种。
1. 线性偏振片线性偏振片是最常见的偏振片类型，它只允许一个特定方向上的光通过。
在观察光的偏振现象时，可以使用两个线性偏振片叠加的方法。
首先，将两个线性偏振片相互垂直放置。
当没有光通过时，两个偏振方向相互垂直，光无法通过。
接下来，逐渐旋转其中一个偏振片，可以观察到从完全暗到逐渐亮起的变化。
当两个偏振片的偏振方向重合时，光通过的强度最大；当两个偏振片的偏振方向相互垂直时，光无法通过。
通过这种方法，可以定量测量光的偏振方向，并观察不同偏振状态下的光强变化。
2. 圆偏振片圆偏振片是一种特殊的偏振片，它能够将线偏振光转化为圆偏振光，进而改变光的偏振状态。
观察光的偏振现象时，可以将圆偏振片与待观察光源或其他偏振片相结合。
将圆偏振片与线偏振片叠加时，可以观察到逐渐改变的亮度和颜色。
这是因为圆偏振片将线偏振光转化为左旋或右旋的圆偏振光，而线偏振片只允许一个特定方向上的光通过。
通过分析观察到的颜色和亮度变化，可以推断出光的偏振状态。
二、偏振显微镜偏振显微镜是一种专门用于观察偏振光的光学仪器。
它结合了具有特殊功能的偏振片和显微镜系统，能够观察到物质的光学性质和结构。
使用偏振显微镜观察光的偏振现象时，可以通过旋转偏振片和分析样品的偏振特性来观察和测量样品的光学性质。
首先，将物质样品放置在显微镜的样品平台上。
然后，通过旋转偏振片调整偏振方向，观察样品光的强度和颜色的变化。
不同样品对偏振光的旋转能力和吸收性有不同的响应，通过观察这些变化，可以推断出样品的光学性质和结构。
偏振光实验数据处理分析
偏振光实验数据处理分析——关于验证马吕斯定律的数据处理方法一、 马吕斯定律：1．一束光强度为的线偏振光，透过检偏器以后，透射光的光强度为α20cos I I = （1） 其中是线偏振光的光振动方向与检偏器透振方向间的夹角，该式称为马吕斯定律。
2．在光路中放入偏振片作为起偏器，获得振动方向与透振方向一致的线偏振光，线偏振光的强度为入射自然光强度的。
马吕斯定律光路图3．在光路中放入偏振片，作为检偏器，其透振方向与的夹角为，透过的光振幅为αcos A A2202=（2）式中为透过的线偏振光的振幅。
因为，所以，光强度为α20cos I I =这就是马吕斯定律，马吕斯定律说明了入射到偏振片上的线偏振光，其透射光强度的变化规律。
二、 简单实验过程以He-Ne 激光作光源，用偏振片起偏和检偏，光电池接收，用电检流计量度光强的大小。
实验从两偏振片方向（或称光轴）平行或垂直开始，记录光电流。
测量时每转15记录一个数据，转180，取12个位置读数。
2P 1P三、 数据处理以角度为横坐标，光电流为纵坐标画图，并与余弦函数的平方值随着角度的变化关系比较表1将表1中角度θ和电流i 的数据输入，并通过工作表计算出2cosθ的值。
打开Origin 数据处理软件，将含有原始数据的excel 工作表在Origin 数据处理软件中打开。
当图形窗口为当前窗口时，可以采用从菜单进行电流i 和cos 2θ的直线拟合，其拟合的函数为Y=A+BX i采用最小二乘法估计方程参数：B X -Y A =∑∑=Ni2i Ni i i X -X Y -Y X -X B ）（））（（ 对马吕斯定律的验证一般采用的方法是由实验得到的角度θ和电流i 的数据，进而用作图法得出cos 2θ和I 成正比的线性关系，如果cos 2θ与电流i 的线性关系良好，则说明马吕斯定律得以验证。
然而学生用作图法验证马吕斯实验时，是用目测测试点分布而画出cos 2θ和电流i 之间的直线图，目测时测试点呈直线与否的界限难以确定，手工作图过程中也必然引入误差，以至于使实验中真正导致误差较大的原因容易被掩盖。
实验七 偏振光的定量研究
偏振光的定量研究【实验目的】（1）观察光的偏振现象，掌握光偏振的基本规律；（2）掌握椭圆偏振光的产生和检验方法；（3）学会分析实验曲线与理论曲线之间的误差来源；【仪器用具】光学防震平台，氦氖激光器及其电源，激光功率计，偏振片，1/4波片【原理简介】光的偏振现象显示了光的横波性。
光波是一种电磁波，在光与物质相互作用时，主要起作用的是横向振动着的电矢量或光矢量，而振动方向对传播方向的不对称性构成光的各种偏振态。
（一）光的五种偏振态光的偏振态通常分为自然光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光五种。
自然光和部分偏振光二者均由大量取向各异、彼此无相位关联的线偏振光组成，只不过自然光的光矢量相对于光的传播方向具有对称性，部分偏振光不具备轴对称性，而存在某一优势方向。
线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光均可以等效为振动方向相互垂直、相互关联的两个线偏振光，这两个线偏振光具有相同的传播方向和频率，两者有确定的相位差。
cos cos x x y y E A t kz E A t kz ωωδ=−=−（）（）+ （1）当（δ= 0，π）时，上式描述的是线偏振光；当（δ= ±π/2，A x = A y ）时，为圆偏振光；当（δ= ±π/2，A x ≠ A y ）时，为正椭圆偏振光；当（δ≠ ±π/2，A x ≠ A y ）时，为各种取向的斜椭圆偏振光；（二）通过检偏器后的透射光强人眼仅对光的强弱变化敏感，而无法直接感知光的各种偏振态，必须借助检偏器，研究透射光强的变化来判定光的偏振态。
检偏器（或起偏器）是一种只允许某一振动方向光通过的光学器件，当它用来产生线偏振光时称为起偏器，用来检验线偏振光时称为检偏器。
常用的检偏器有两类：一类是利用材料对不同方向的电磁振动具有选择吸收特性的原理制成的，称为偏振片；另一类是用双折射晶体制成的特殊棱镜，如尼科尔棱镜、格兰棱镜等，这类棱镜的透光率和偏振度远高于偏振片，在检偏器上能够让电矢量充分透过的方向称为透振方向记作P，与P 正交的方向上的电矢量将被强烈吸收而无法透过，称为消光方向。
偏振光检测研究
偏振器件 米勒矩阵
出射光 斯托克斯矢量
偏振器件：使入射光的偏振参量改变的器件 米勒矩阵M：用来描述偏振器件作用的矩阵
不同的偏振器件米勒矩阵不同
出射光的斯托克斯矢量和入射光的斯托 克斯矢量满足关系式：
Sout M Sin
S0' S1'
M11 M 21
M12 M 22
M13 M 23
M14 S0 S0
已知，光波从介质表面反射(透射)时，其偏振 态可能发生变化，偏振状态的改变与入射光的状
态、介质表面状态有关。 E Acos(t kz 0)
不同物体或同种物体的不同状态(粗糙度、空 隙度、含水量）可能产生不同的偏振状态。 采用偏振成像方法，可提取其偏振信息并加以利用。
在军事目标识别中，目标与背景的对比是个 重要因素。有时可以对目标进行伪装，但若同时 采用偏振探测和光度探测，大部分的军事目标都 可以被识别。
有人用紫外到近红外段的波长对置于沙滩背景 下的一群士兵和一辆军用伪装车蒙皮做了偏振测量 和光度测量，比较偏振和光度的探测能力。
对于军事车辆的伪装漫反射蒙皮，当将反射 率视为视角和波长的函数时，反射率为常量。当 将偏振度视为散射角的函数时，偏振度会有很大 的不同。
结果表明：由于沙中低吸收、强散射的二氧 化硅致使沙地显得明亮（高反射率），军事车辆 和士兵衣服具有52%高偏振度、低反射率，在低 偏振度(多数小于10%)、高反射率的沙滩沙地上非 常容易被识别。
I
Q
此组参量可以表示包括偏振
U
度在内的任意偏振光的状态
V
I、Q、U、V 都具有光强度的量纲。
I —表示总光强度 Q —表示X轴方向直线偏振光分量 U —表示450方向直线偏振光分量 V —表示右旋园偏振光分量
经典实验讲义-偏振光分析 (测量实验)
偏振光分析 (测量实验)一、实验目的观察光的偏振现象，分析偏振光，起偏，定光轴二、实验原理（一）偏振光的基本概念光是电磁波，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c ，通常用电矢量E 代表代表光的振动方向，并将电矢量E 和光的传播方向c 所构成的平面称为光振动面。
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，如附图15（a ）。
光源发射的光是由大量原子或分子辐射构成的。
由于大量原子或分子的热运动和辐射的随机性，它们所发射的光的振动面，出现在各个方面的几率是相同的。
故这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光附图15（b ）。
在发光过程中，有些光的振动面在某个特定方向上出现的几率大于其他方向，即在较长时间内电矢量在某一方向上较强，这种的光称为部分偏振光，如图附图15（c ）所示，还有一些光，其振动面的取向和电矢量的大小随时间作有规律的变化，而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。
这种光称为椭圆偏振光或圆偏振光。
附图15（a ） 附图15（b ） 附图15（c ）（二）获得偏振光的常用方法将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏，起偏的装置称为起偏器。
常用的起偏装置主要有：1、反射起偏器（或透射起偏器）当自然光在两种媒质的界面上反射和折射时，反射光和折射光都将成为部分偏振光。
当入射角达到某一特定值b ϕ时，反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于入射面（见附图16）而角b ϕ就是布儒斯特角，也称为起偏振角，由布儒斯特定律得21/b tg n n ϕ=例如，当光由空气射向n=1.54的玻璃板时，b ϕ=57度若入射光以起偏振角b ϕ射到多层平行玻璃片上，经过多次反射最后透射出来的光也就接近于线偏振光，其振动面平行于人射面。
由多层玻璃片组成的这种透射起偏振器又称为玻璃片堆。
见附图17。
附图16附图17附图182、晶体起偏器利用某些晶体的双折射现象来获得线偏振光，如尼科尔棱镜等。
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。
偏振光的检定原理
偏振光的检定原理偏振光的检定原理是指通过一系列的实验和测量，确定光的偏振状态的方法。
偏振光是指在一个特定方向上振动的光，可以通过偏振片使非偏振光变为偏振光。
在偏振光的检定中，常用的方法有偏振片法、波片法、马吕斯定律等。
下面将分别介绍这些方法。
首先是偏振片法。
偏振片是一个能够选择性透过或阻挡某一方向偏振光的光学器件。
当光通过偏振片时，只有与偏振片相同方向的偏振光能够透过，其余方向的光都会被阻挡。
因此，通过观察通过偏振片后的光强度变化，可确定光的偏振状态。
例如，可以将一个偏振片置于一个未知偏振光的路径上，逐渐旋转偏振片，观察光的透射强度的变化。
当偏振片的光透射强度最小时，表示未知光与偏振片的方向垂直，即垂直偏振光；当透射强度最大时，表示未知光与偏振片的方向平行，即平行偏振光。
其次是波片法。
波片是具有特定相位差的透明光学元件，通过改变光的相位差来确定光的偏振状态。
常用的波片有1/4波片和1/2波片。
当未知偏振光经过一个1/4波片时，如果光与1/4波片的振动方向平行，则光变为右旋圆偏振，如果光与1/4波片的振动方向垂直，则光变为左旋圆偏振。
当未知偏振光经过一个1/2波片时，如果光与1/2波片的振动方向平行，则光变为线偏振，如果光与1/2波片的振动方向垂直，则光消失。
最后是马吕斯定律。
马吕斯定律是通过观察光在不同角度下的反射和折射现象来确定光的偏振状态。
根据这一定律，当平面入射光与介质表面呈一定角度时，会发生完全反射，此时反射光是线偏振光。
通过观察反射光的偏振状态，可以确定入射光的偏振状态。
综上所述，偏振光的检定可以通过偏振片法、波片法和马吕斯定律等方法实现。
这些方法利用了光在不同偏振状态下的光强度、相位差和反射等特性，通过实验和测量来确定光的偏振状态。
这些方法在光学工程、材料科学、光通信等领域都有着重要的应用价值。
偏振光现象的观察和分析
60° 75°
90°
考虑到上面所测得的数据仅仅供定性和简单的定量分析，且关系到无法调零的问题，不作不确定度分析。 II.
表 1 转动 1/ 4 波片对线偏振光透射光的影响
1/ 2 波片的组合
测得：
A(0) 256° 。 =
两片 1/ 4 波片的快（慢）轴位置分别为： 30° 、 120° 、 210° 、 300° ； 68° 、 158° 、 248° 、 338° 。 = = 发现两片波片以 30° − 248° 组合时， 它们偏转 θ 30° 后出现消光， 即组成了 1/ 2 波片。 选取 A 偏转 2θ 60° ，
= 分解为 e 光和 o 光，二者产生一附加相位差 δ
( 2k + 1) π / 2 。此时
这两个分量合成的光矢量就会随时间变化，形成如图的椭圆（圆）轨 迹， 而这个椭圆在坐标轴 （快慢轴） 上的投影 （此时即椭圆的长短轴） 分别为光矢量的两个分量的最大值。当某一轴上分量振幅为零 （θ =
当 θ = (2k + 1) ⋅
π
4
时，能看见杂乱无章的颜色纹路（不同颜色间按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序过渡） ；
当 θ 远离 (2k + 1) ⋅
π
4
时，逐渐观察不到颜色。
保持 θ 不变，转动 A ，同样观察到这一以
π
2
为周期的现象。
VI. 观察液晶显示屏 取用 IPad 等设备的液晶屏，令其显示白色。 （屏幕已经贴膜） 观察到红、橙、黄、绿、青、蓝、紫周期性变化的条纹。偏振片每转动 VII. 观察蓝天 无论使用偏振片还是波片都观察不到任何现象。 VIII. 观察窗台反光 使用偏振片：反射光以
拟合形式： y = 拟合参数：
实验十一-偏振现象的观察与分析
实验十一偏振现象的观察与分析光波是电磁波，其电矢量的振动方向垂直于传播方向，是横波．由于普通光源各原子分子发光的随机和无序性，光波电矢量的分布（方向和大小）对传播方向来说是对称的，反应不出横波特点，这种光称为自然光．如果限制了某振动方向的光而使光线的电矢量分布对其传播方向不再对称时，这种光称为偏振光．对于偏振现象的研究在光学发展史中有很重要的地位，光的偏振使人们对光的传播（反射、折射、吸收和散射）规律有了更透彻的认识，本实验将对光偏振的基本性质进行观察、分析和研究．·实验目的1.观察光的偏振现象，掌握产生和检验偏振光的原理和方法，学会确定偏振片的透振方向，验证马吕斯定律；2．用反射起偏法测量平面玻璃的布儒斯特角，求得玻璃的折射率；3．了解λ/4波片、λ/2波片的工作原理和作用（任选其中部分内容）；·实验仪器光具座，He—Ne激光器，光点检流计，光电转换装置，GPS-Ⅱ型偏振光实验仪（包括偏振片×2，λ/4波片×2，λ/2波片×2，背面涂黑的玻璃片及刻度支架，小孔光阑，白屏）．图1 实验仪器（重拍）偏振片及刻度旋转装置：由直径为2cm的偏振片固定在转盘上制成，转盘上指针的位置不一定是偏振片的透振方向．波片及刻度旋转装置：由直径为2cm的波片固定在转盘上制成，转盘上指针的位置不一定是波片的快轴或慢轴的位置．·实验原理从自然光获得偏振光的办法有3种，即利用二向色性的材料制作的偏振片；利用晶体的双折射性质做成的偏振棱镜；利用光学各向同性的两介质分界面上的反射和折射．本实验中所用的偏振片是利用二向色性的材料制作的．一、起偏、检偏与马吕斯定律将自然光变成偏振光的过程称为起偏，检查偏振光的装置称为检偏．按照马吕斯定律，强度为I 0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为：20cos I I θ= （12-1）式中I 0为入射线偏光的光强，θ为入射光偏振方向与检偏器透振轴之间的夹角．显然，当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度I 将发生周期性变化．当θ=00时，透射光强度最大；当θ=090时，透射光强度最小（消光状态）；当00<θ<090时，透射光强度介于最大值和最小之间．因此，根据透射光强度变化的情况，可以区别光的不同偏振状态．实验中让入射光共轴依次通过两个偏振片，旋转检偏器，读出不同θ角下出射光的强度，验证马吕斯定律．二、布儒斯特定律和反射光的偏振当自然光在空气中以某角度入射至折射率为n 的透明介质表面时，若反射线与折射线垂直，则其反射光为完全的线偏振光，振动方向垂直于入射面；而透射光为部分偏振光．此规律称为布儒斯特定律，入射角称为布儒斯特角，如图11-2所示．arctgn i b = （12-2）实验中可通过用振动方向垂直于入射面的线偏光入射，再用检偏器检查反射光是否消光来确定布儒斯特角，求出玻璃材料的折射率n.图11-2 布儒斯特定律示意图三、λ/4波片与λ/2波片波片是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，其表面平行于光轴．当一束单色平行自然光正入射到波片上时，光在晶体内部便分解为o 光与e 光．o 光电矢量垂直于光轴；e 光电矢量平行于光轴．而o 光和e 光的传播方向不变，仍都与表面垂直．但o 光在晶体内的速度为0v ，e 光的为e v ，即相应的折射率0n 、e n 不同．设晶片的厚度为l ，则两束光通过晶体后就有位相差()r n n e o -=∆λπϕ2 （12-3）()l n n e -=0λπσ （12-4）式中λ为光波在真空中的波长．πσk 2=的晶片，称为全波片；ππσ±=k 2的称为半波片（λ/2波片）；22ππσ±=k 为λ/4片，上面的k 都是任意整数．不论全波片，半波片或λ/4片都是对一定波长而言．在直角坐标系下，以e 光振动方向为横轴，o 光振动方向为纵轴，则沿任意方向振动的平行光，正入射到波片的表面后，其振动便按此坐标系分解为e 分量和o 分量．透过晶片，二者间产生一附加位相差σ，离开晶片时合成光波的偏振性质，决定于σ及入射光的性质．1.偏振态不变的情形：（1）自然光通过任何波片，仍为自然光；（2）若入射光为线偏振光，其电矢量E 平行e 轴（或o 轴），则任何波长片对它都不起作用，出射光仍为原来的线偏振光．2.λ/2波片与偏振光（1）若入射光为线偏振光，且振动方向与晶片光轴成θ角，则经λ/2玻片出射的光仍为线偏振光，但与光轴成负θ角．即线偏振光经λ/2片电矢量振动方向转过了2θ角．（2）若入射光为椭圆偏振光，则经λ/2玻片后，既改变椭圆长（短）轴的取向，也改变椭圆的旋转方向；若入射光为圆偏振光，出射的只是改变了旋转方向的圆偏振光．3.λ/4波片与偏振光（1）若入射光为线偏振光，当θ角为450时，经λ/4波片后的出射光为圆偏振光，其余情况下为椭圆偏振光；（2）若入射光为圆偏振光，则出射光为线偏振光；（3）若入射光为椭圆偏振光，则出射光一般仍为椭圆偏振光，（详见利萨如图11-3）．π2图11-3 同频率、振动方向垂直的两振动合成的利萨如图·实验内容与步骤1．定偏振片光轴：把两个偏振片插入光具座，接入光电转换装置及光点检流计，调至共轴．旋转第二个偏振片，使光屏显示消光，此即表示起偏器的透振轴与检偏器的透振轴相互垂直．再从θ=00开始到900每隔100读一个光电流值，用坐标纸作图验证（12-1）式马吕斯定律．2．测量玻璃板的布儒斯特角，求得玻璃的折射率：在上述1的基础上，撤掉检偏器，将装有底座的待测玻璃片插入光具座，共轴调节后，使玻璃板的法线方向与入射光线重合，记录指针的位置．旋转玻璃片所在的平面，用白板跟踪接收反射光．当入射角在某个特定角附近，仔细旋转起偏器，观察接收屏上光强变化，当光强最小时固定起偏器，再微旋玻璃片的方位，找到光强最弱位置；重复上述调整至消光，此时读出光线对玻璃片的入射角即为玻璃板的布儒斯特角；测量5次，根据（12-2）式计算玻璃的折射率．且与标称值作比较，计算标准偏差．3．考察平面偏振光通过λ/2、λ/4波片时的现象：（选做）（1）在两块偏振片之间插入λ/2波片，旋转检偏器一周，观察消光的次数并解释这现象．（2）将λ/2波片转任意角度，这时消光现象被破坏．把检偏器转动一周，观察发生的现象并作出解释．（3）仍使起偏器和检偏器处于正交（即处于消光现象时），插入λ/2波片，使消光，再将转150，破坏其消光．转动检偏器至消光位置，并记录检偏器所转动的角度．（4）继续将λ/2波片转150（即总转动角为30度），记录检偏器达到消光所转总角度．依次使λ/2波片总转角为450，600，750，900，分别记录检偏器消光时所转过的角度．（5）使起偏器和检偏器正交，中间插入λ/4波片，转动λ/4波片使消光．再将λ/4波片转动150，300，450，600，读出相应的光电流，并分析这时从λ/4波片出来光的偏振状态．3.平面偏振光通过λ/2波片时的现象4.平面偏振光通过λ/4波片时的现象1．仔细阅读偏振光实验指导及操作说明书，操作中注意首先做“消除暗电流记录”的测试前准备；每步实验前在光具座上用小孔屏调整光路共轴；2．检测光电流时必须确认表针基本停稳后才可以读数（或指针波动大时估读中间值）．偏振光最普遍的来源之一是自然光经电介质表面反射这个无所不在的物理过程．人类生活中来自玻璃、水面等所有表面的反射光和散射光，一般都是部分偏振光．这个规律是马吕斯在1808年开始研究的．巴黎科学院悬赏征求双折射的数学理论，马吕斯就着手研究这个问题．一天傍晚，他站在家中的窗户旁边研究方解石晶体．当时夕阳西照，夕阳从离他家不远的卢森堡宫的窗户上反射到他这里来．他拿起了方解石晶体，通过它观察反射来的太阳的像．使他感到意外的是当转动方解石晶体时，双像中的一个像消失了．太阳下山之后，夜里他继续观察从水面上和玻璃面上反射回来的烛光来核实他的实验．≈56°时消光效果最显著．但在近用一支蜡烛和一片玻璃试一试，把玻璃放在θP掠入射时，两个像都很明亮，无论怎样转动晶体，哪个像都不会消失．马吕斯显然很幸运，站在对着宫殿窗户的一个恰当的角度上．致使他发现了偏振光的规律．普通非晶体材料受到应力时变成各向异性，有双折射．用偏振光的干涉条纹分布的疏密和走向来确定材料的内应力大小．电光开关是指电场使某些各向透明的介质变为各向异性，使光产生双折射，称kerr effect，用电信号控制光信号．光电偏振研究在光调制器、光开关、光学计量、光信息处理、光通信、激光和光电子学器件、晶体性质研究和实验应力分析等技术中有广泛的应用．中学物理课标对偏振及相关内容的要求是：1.通过实验认识光的干涉、衍射、偏振现象以及在生活、生产中的应用；2.用偏振片观察玻璃面反射光、天空散射光的偏振现象；3.用偏振片鉴别普通玻璃和天然水晶，探究这种技术的物理原理．本实验的构思亮点：因为不加布儒斯特窗的半导体激光器发出的光其振动方向与自然光相似，细光束的传播方向集中，使实验操作极大简化，物理思路更加清晰；光具座上可供选择的内容开放，可增加学生的动手动脑兴趣．（零点测量法）操作难点：微电流读数受环境和仪器的影响因素较多，难以准确读数，偏振元件旋转角度最小分度1°，组装粗糙，影响了测量精度．1.本实验为什么要用单色光源照明？根据什么选择单色光源的波长？若光波波长范围较宽，会给实验带来什么影响？2.在确定起偏角时，若找不到全消光的位置，根据实验条件分析原因．3 .三块外形相同的偏振片、1/2波片、1/4波片被弄混了，能否把它们区分开来？需要借助什么元件？若能，试写出分析步骤．4. 在透振方向互相垂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，那么透过检偏器的光是亮还是暗？为什么？将检偏器旋转90度，透出的光亮暗是否变化？5.波片加工精度和激光波长漂移会对1/4波片产生的光程差带来误差．试根据波片对线偏振光产生的位相差和光程差公式，对波片厚度和激光波长作一个半定量的估计一般以1/2波长为限．6.已知什么量？哪个是待测量？如何控制变量？关注检流计的量程并做适当调节．按要求处理实验数据，完成实验报告．7.本实验还有哪些操作难点？针对操作难点，摸索并掌握正确的调节的方法．尝试设计实验，探究圆偏振光、椭圆偏振光的产生和检验方法，并完成实验．。
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普通物理实验(三) 33
■ 偏振光的定量分析
1．了解GSZF-3型偏振光实验系统的原理和使用方法。
2．深入理解不同类型偏振光的产生条件、光强分布和检偏方法。
3．定量讨论三类偏振光的基本特性。
1． 线偏振光的产生与鉴别
当自然光通过起偏器后，由于只有电矢量振动方向平行于透射轴的光可以通过，所以，由起偏器出射的光为线偏振光。
判断其是否为线偏振光，只要让该偏振光通过一个检偏器，当转动检偏器改变其透振轴与线偏振光的振动方向之间的夹角时，出射的光强随之改变。
当透振轴与线偏振光的振动方向平行时，出射的光强最大；而垂直于线偏振光的振动方向时，出射的光强为零。
如果检偏器转动一周，光强交替出现两次最亮和两次消光，则可判断其为线偏振光。
这些规律可用公式表述如下：
θcos 0E E =22
E I =，2
200E I = θθ2cos 2
121cos 0020I I I I +== （1） 式中，θ为检偏器透振方向与线偏振光振动方向之间的夹角，E 、I 分别为出射光的振幅和光强，E 0、I 0分别为线偏振光的振幅和光强。
显然出射光线光强随角度θ的变化成余弦曲线的规律变化，周期为π。
出射光满足Malus 定律
θ20cos I I =，θ20cos =I I （2）
以相对能量I /I 0为纵坐标，cos 2θ为横坐标，θ从00到900
变化时将形成一条直线，由此也可验证线偏振光。
2． 圆偏振光的产生与鉴别 产生圆偏振光的前提是先得到线偏振光，然后让线偏振光垂直入射到4λ波片，如果线偏振光的振动方向与4λ的快轴和慢轴成450角，这时透过4λ片的光是圆偏振光。
线偏振光表示为
t E E t
E E y x ωαωαsin sin sin cos 00== （3） 经过4λ片快轴方向（即Y 方向）相位超前2π，所以出射光为
2sin(sin sin cos 00πωαωα+
==t E E t
E E y x （4） 当o 45=α时，22sin cos ==αα，这正是圆偏振光。
它透过检偏器的两振动分量为 ⎟⎠⎞⎜⎝
⎛+==2sin sin sin sin cos cos 0201πωθαωθαt E E t
E E （5） 合振动为
)sin(2
2021θω+=+=t E E E E 观察时间内光强的平均值为
线I E I 2
14120== （6） 故圆偏振光透过检偏器后，出射光强恒定不变，且为线偏振光的1/2。
3．椭圆偏振光的产生和鉴别 产生椭圆偏振光的前提同样是先得到线偏振光，然后让线偏振光垂直入射到4λ波片，如果线偏振光的振动方向与4λ波片的快轴和慢轴不成450、00和900角，这时透过4λ波片的光是椭圆偏振光。
讨论与圆偏振光类似，只需使（4）式中α不等于450、00和900
角即可。
它经过检偏器后，透过检偏器的两振动分量同样为（5）式。
观察时间内光强的平均值为 θαθα22202220sin sin 2
1cos cos 21E E I += （7） θ为检偏器透振方向与波片慢轴的夹角，随检偏器的转动而连续变化。
本实验系统如下图所示。
该系统采用He-Ne 激光器作光源，激光垂直通过格兰棱镜（起偏器）产生线偏振光，线偏振光再经过
另一个格兰棱镜（检偏器），根据需要可
在两偏振器间插入波片。
由检偏器透射
的光照射在光电探测器上，将光强信号
转换成电信号，通过电控箱中的调理电
路（放大、整形）、AD 转换电路（将模
拟量转变为数字量）、接口电路（实现与
计算机间的通讯）与微机相联，实现在
微机上显视采集的数据并作图。
另外格
兰棱镜安装在带有步进马达的支架上，
马达通过电控箱由微机控制，所有光学
器件通过磁性千分座固定在光学平台
上。
1．仔细阅读仪器说明书，熟悉各实验器件的功能和调节方法，熟悉实验软件的各种功能和使用方法。
2．光路调节。
将激光器、两个格兰棱镜、探测器依次摆放在光学平台上，先调激光器使激光束平行台面，然后调节各器件使通光孔共线，同时使各光学镜面与光线垂直。
调节方法为使所有反射光点与入射光重合，并通过线偏振光透过检偏器光强与检偏器转角间的关系曲线检查光路是否已调好。
3．观察并记录线偏振光透过检偏器光强与检偏器转角间的关系曲线，并验证马吕斯定律。
4．获得圆偏振光，观察并记录圆偏振光透过检偏器光强与检偏器转角间的关系曲线（直角坐标和极坐标两种）。
5．改变波片光轴与线偏振光的夹角，得到不同的椭圆偏振光；在直角坐标和极坐标两种坐标系中，分别观察记录各种椭圆偏振光透过检偏器光强与检偏器转角间的关系曲线。
6．分析实验中出现的问题及解决办法，对照曲线，定量讨论三类偏振光的基本特性。