偏振光实验.docx

南昌大学物理实验报告 姓名：小田田 学号：5502211070 班级：本硕111班 实验日期：2012年10月16日 （第七周） 座位号：07 偏振光实验光是一种电磁波，其电矢量的振动方向垂直于传播方向，是横波。由于一般光源发光机制的无序性，其光波的电矢量的分布（方向和大小）对传播方向来说是对称的，称为自然光。当由于某种原因，使光线的电矢量分布对其传播方向不再对称时，我们称这种光线为偏振光。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）规律有了新的认识，并在光学计量、晶体性质研究和实验应力分析技术部门有广泛的应用。【实验目的】1观察光的偏振现象，验证马吕斯定律； 2了解1 / 2波片、1 / 4波片的作用； 3掌握椭圆偏振光、圆偏振光的产生与检测。【实验原理】1光的偏振性 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（见图）。此时光矢量在垂直与传播方向平面上的投影为一条直线，故又称为线偏振态。若光矢量绕着传播方向旋转，其端点描绘的轨道为一个圆，这种偏振态称为圆偏振态。如光矢量端点旋转的轨迹为一椭圆，就成为椭圆偏振态（见图2）。 普通光源发出的光一般是自然光，自然光不能直接显示出偏振想象。但自然光可以看成是两个振幅相同，振动相互垂直的非相干平面偏振光的叠加。在自然光与平面偏振光之间有一种部分偏振光，可以看作是一个平面偏振光与一个自然光混合而成的。其中的平面偏振光的振动方向就是这个部分偏振光的振幅最大方向。 2偏振片 虽然普通光源发出自然光，但在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（有些各向同性介质，在某种作用下会呈现各向异性，能强烈吸收入射光矢量在某方向上的分量，而通过其垂直分量，从而使入射的自然光变为偏振光，介质的这种性质称为二向色性）。 偏振器件即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，用作检偏的偏振器件叫做检偏器。实际上，起偏器和检偏器是通用的。 3马吕斯定律 设两偏振片的透振方向之间的夹角为a， 透过起偏器的线偏振光振幅为 A0，则透过检偏器的线偏振光的振幅为A A=A0cos 强度为I ： 式中 I0 为进入检偏器前（偏振片无吸收时）线偏振光的强度。（1）式是 1809 年马吕斯在实验中发现，所以称马吕斯定律。显然，以光线传播方向为轴，转动检偏器时， 透射光强度I 将发生周期变化。 若入射光是部分偏振光或椭圆偏振光， 则极小值不为 0。若光强完全不变化，则入射光是自然光或圆偏振光。这样，根据透射光强度变化的情况，可将线偏振光和自然光和部分偏振光区别开来。4椭圆偏振光、圆偏振光的产生；1/2 波片和 1/4波片的作用 当线偏振光垂直射乳一块表面平行于光轴的晶片时，若其振动面与晶片的光轴成a 角，该线偏振光将分为 e 光、o 光两部分，它们的传播方向一致，但振动方向平行于光轴的 e 光与振动方向垂直于光轴的o光在晶体中传播速度不同，因而产生的光程差为： 位相差为：式中ne为e 光的主折射率，no为o 光的主折射率（正晶体中，d 0，在负晶体中d 0）。d 为晶体的厚度，如图 4所示。当光刚刚穿过晶体时，此两光的振动可分别表示如下： 式中Ae= A cosa，Ao= A sina，由（3）中的两式消去t，得轨迹方程 这是个一般的椭圆方程。 当改变厚度d 时，光程差亦改变。 （1） 这是直线方程，故出射光为平面偏振光，与原入射光振动方向相同，满足此条件之晶片叫全波片。光通过全波片不发生振动状态的变化。 （2） 出射光也是平面偏振光，但与原入射光夹角为 2a，满足此条件的晶片叫1/2波片，或半波片，平面偏振光通过半波片后，振动面转过2a 角，若a = 45，则出射光的振动面与入射光的振动面垂直。 （3） 出射光为椭圆偏振光，椭圆的两轴分别与晶体的主截面平行及垂直，满足此条件的晶片叫 1/4波片。1/4 波片是作偏振光实验重要的常用元件。若Ae=A0，于是 ，出射光为圆偏振光。 由于o光和e 光的振幅是a 的函数， 所以通过 1/4波片后的合成偏振状态也将随角度a变化而不同。 当a = 0时，出射光为振动方向平行 1/4波片光轴的平面偏振光。 当a = p / 2 时，出射光为振动方向垂直于光轴的平面偏振光。 当a = p / 4 时，出射光为圆偏振光。 当a 为其它值时，出射光为椭圆偏振光。【实验内容】 一、 验证马吕斯定律。1，将万用表调到直流电压挡，记录其U0值。 2，打开激光管电源，调节共轴。 3，取下1/4玻片。 4，旋转P2至电压U值最大处停。（P1、P2平行状态，0为0）记录P2所处的位置和U值。 5，旋转P2一周，每间隔15记录一次U值。 6，作0 （U-U0）图。 二、 验证椭圆偏振光（含圆偏振光）。1，未放置1/4玻片前，调节P2至电压U至最小处停，记录此时P2所处的位置。 2，P1、P2中间放入1/4玻片，旋转1/4玻片至电压U 值最小处停，记录1/4玻片此时所处的位置（1/4玻片与P1平行，=0）。 3,旋转P2一周，每间隔15 记录一次U值。 4，改变 角（1/4玻片与P1的夹角）为 30 、45 。分别旋转P2一周，每间隔15 记录一次U值。 5，分别画出=0 、30 、45 时的0（U-U0）极坐标图。 【数据记录及处理】 1，验证马吕斯定律。(U0=0.244V 、P2=33 、U=0.437V)旋转角度0153045607590105120U (V)0.4370.4340.4290.4190.4040.3780.3470.3720.4U-U0 （V）0.1930.190.1850.1750.160.1340.1030.1280.156旋转角度135150165180195210225240255U (V)0.4180.4280.4330.4340.4320.4280.4280.4190.403U-U0 (V) 0.1740.1840.1890.190.1880.1840.1840.1750.159旋转角度270285300315330345360U (V)0.3770.3460.3750.4010.4190.4290.435U-U0 (V)0.1330.1020.1310.1570.1750.1850.121 2, 验证椭圆偏振光（含圆偏振光）。 （ P1=102 、P2=303 ）旋转角度0153045607590105120U (V)0.3430.370.3980.4150.4250.4310.4330.4310.425U-U0 (V)0.0990.1260.1540.1710.1810.1870.1890.1870.181旋转角度135150165180195210225240255U (V)0.4170.4010.3750.3430.370.3980.4160.4250.43U-U0 (V)0.1730.1570.1310.0990.1260.1540.1720.1810.186旋转角度270285300315330345360U (V)0.4320.4290.4250.4160.3990.33730.343U-U0 (V)0.1880.1850.1810.1720.1550.1290.099旋转角度0153045607590105120U (V)0.4120.4050.3990.3990.4050.4120.4180.4230.425U-U0(V)0.1680.1610.1550.1550.1610.1680.1740.1790.181旋转角度135150165180195210225240255U (V)0.4250.4240.4190.410.4040.3990.3990.4050.412U-U0 (V)0.1810.180.1850.1660.160.1550.1550.1610.168旋转角度270285300315330345360U (V)0.4180.4220.4260.4270.4240.420.413U-U0 (V)0.1740.1780.1820.1830.180.1760.169旋转角度0153045607590105120U (V)0.4170.4190.4170.4160.4150.4130.4130.4130.413U-U0 (V)0.1730.1750.1730.1720.1710.1690.1690.1690.169旋转角度135150165180195210225240255U (V)0.4150.4170.4180.4170.4170.4170.4160.4140.412U-U0 (V)0.1710.1730.1740.1730.1730.1730.1720.170.168旋转角度270285300315330345360U (V)0.4110.4110.4140.4170.4180.420.42U-U0 (V)0.1670.1670.170.1730.1740.1760.176【思考及讨论】1，片用支架安置于光具座上，正交后消光，一片不动，另一片的两个表面转换180，会有什么现象？如有出射光，是什么原因？ 答：在转的过程中有出射光产生，且出射光的强度变化是：由小变大，变到最大，然后逐渐减小到零。在另一片的2个表面转180的过程中，即两偏振片的透振方向之间的夹角由90变为270，由马吕斯定律 ： I=Aocos=Iocos 可知有出射光射出，且光强变化过程是：增大最大减小零。（为180时，出射光强度最强）。 2.，两片正交偏振片中间再插入一偏振片会有什么现象？怎样解释？ 答：若插入的偏振片跟两个正交的偏振片中其中一个平行，没有出射光产生，因为插入的偏振片对光的选择没有产生影响；若插入的偏振片不跟两个正交的偏振片平行，则有出射光产生，因为透过插入的偏振片出来的光的振动方向跟插入的偏振