光的偏振实验讲义

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1、偏振光学实验教案教学方式及时间安排讲解与实际操作，讲解35-45分钟，操作指导20分钟，学生动手操作120分钟,共200分钟,4个学时。讲解：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

2、体性质研究和实验应力分析等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。实验仪器半导体激光器、碘钨灯、硅光电池、UT51数字万用表、偏振片（2片）、1/2波片、1/4波片、反射镜、玻璃堆、平台和光具座等实验原理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

3、。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。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。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。

4、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。

5、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AA=A0cosaI=A2cos2α=I0cos（1）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

6、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入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

7、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1．验证马吕斯定律实验装置如图5所示，光束经过起偏器产生线偏振光，再透过检偏器射到硅光电池上，转动检偏器（360°）观察光强的变化，找到最大电流值（对于硅光电池，其短路电流与光源的光强呈很好的线性关系），确定该位置为相对0°。实验时，测量精度：5°，测量范围：-90°—+90°。作I～cos2a的关系曲线，验证马吕斯定律。2．线偏振光通过1/2波片时的现象和1/2波片的作用。在光具座上按图6放置各元件，其中P为起偏器，在未

8、放入1/2波片时，使A与P正交，光屏上呈现消光现象。插入1/2波片后，转动1/2波片观察光屏。调节波片至呈现消光现象，此时为初始角度。再将1/2波片从初始位置转10°，破坏消光，然后转动A至消光位置。记下A所转过的角度。依次类推，每将转动1/2波片10°，记下达到消光时A转过的角度。数据记录表格如下：1/2波片转过角度初始10°20°……80°90°检偏器A转过角度若检偏片A固定，将1/2波片转过3