偏振光的研究最好最完整的实验报告

物 理 实 验 报 告实验名称： 偏振光的研究我的班级： 本硕 111 班我的姓名： 龚林吉我的学号： 5701111066实验老师： 袁吉仁（T035）实验时间： 2012 年 10 月 23 日下午 13:00 偏振光的研究 本硕 111 班 龚林吉 5701111066 目 录偏振光的研

究................................................................................................................................... 2一、实验目

的................................................................................................................................... 2二、实验原

理................................................................................................................................... 2 2.1 光的偏振

性....................................................................................................................... 2 2.2 偏振

片............................................................................................................................... 3 2.3 马吕斯定

律....................................................................................................................... 4 2.4 椭圆偏振光、圆偏振光的产生和四分之一波片的作用............................................... 4三、实验仪

器................................................................................................................................... 5四、实验内容与操

作....................................................................................................................... 5 4.1 验证线偏振光（即马吕斯定

律）................................................................................... 5 4.2 验证椭圆偏振光含圆偏振

光....................................................................................... 5五、实验数据记录与处

理............................................................................................................... 6 5.1 验证马拉斯定

律............................................................................................................... 6 5.2 验证椭圆偏振光（含圆偏振

光）................................................................................... 7 ° 5.2.1 当 1/4 波片在 α 0

时............................................................................................ 7 °

5.2.2 当 1/4 波片转到 α 30

时...................................................................................... 8 °

5.2.3 当 1/4 波片转到 α 45

时...................................................................................... 9六、实验结

论................................................................................................................................. 10 6.1 验证马吕斯定律实验的结果分

析................................................................................. 11 6.2 验证椭圆偏振光（含圆偏振光）实验的结果分

析..................................................... 11七、实验思考与讨

论...................................................................................................

.................. 12八、注意事

项................................................................................................................................. 13九、实验心得与体

会..................................................................................................................... 13十、参考资

料................................................................................................................................. 13十一、附

录..................................................................................................................................... 13 1 偏振光的研究 本硕 111 班 龚林吉 5701111066 偏振光的研究一、实验目的 1、观察光的偏振现象，加深对光波传播规律的理解。 2、掌握产生和检验偏振光的条件和方法。 3、验证马吕斯定律。 4、用 1/4 波片产生椭圆偏振光和圆偏振光，并验证椭圆偏振光。 5、学会用计算机软件画数据分析图。二、实验原理2.1 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。光波是波长较短的电磁波，电磁波是横波，光波中的电矢量与波的传播方向垂直。光的偏振观象清楚地显示了光的横波性。光大体上有五种偏振态，即线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、自然光和部分偏振光。而线偏振光和圆偏振光又可看作椭圆偏振光的特例。2.1.1 自然光 光是由光源中大量原子或分子发出的。 普通光源中各个原子发出的光的波列不仅初相彼此不

相关， 而且光振动方向也是彼此不相关的，呈随机分布。在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向振动的光矢量都有。平均说来，光矢量具有轴对称而且均匀的分布，各方向光振动的振幅相同，各个振动之间没有固定的相联系，这种光称为自然光或非偏振光（如右图所示）。 我们设想把每个波列的光矢量都沿任意取定的 x轴和 y 轴分解，由于各波列的光矢量的相和振动方向都是无规则分布的，将所有波列光矢量的 x 分量和 y分量分别叠加起来，得到的总光矢量的分量 Ex 和 Ey之间没有固定的相关系，因而它们之间是不相干的。同时 Ex 和 Ey 的振幅是相等的，即 AxAy。这样， 我们可以把自然光分解为两束等幅的、振动方向互相垂直的、不相干的线偏振光。这就是自然光的线偏振表示，如下图（a）所示。分解的两束线偏振光具有相等的强度 IxIy，又因自然 I光强度 I I x I y ；所以每束线偏振光的强度是自然光强度的 1/2，即 I x I y 2 通常用图（b）的方法表示自然光。图中用短线和点分别表示在纸面内和垂直于纸面的光振动，点和短线交替均匀画出，表示光矢量对称而均匀的分布。

2.1.2 线偏振光 光矢量只沿一个固定的方向振动时，这种光称为线偏振光，又称为平面偏振光。光矢量 2 偏振光的研究 本硕 111 班 龚林吉 5701111066的方向和光的传播方向所构成的平面称为振动面，如图（a）所示。线偏振光的振动面是固定不动的，图（b）所示是线偏振光的表示方法，图

中短竖线表示光振动在纸面内，点表示光振动垂直于纸面。

2.1.3 部分偏振光 部分偏振光是介于线偏振光与自然光之间的一种偏振光，在垂直于这种光的传播方向的平面内各方向的光振动都有，但它们的振幅不相等，如下左图（a）所示。这种部分偏振光用数目不等的点和短线表示。在下左图（b）中，上图表示在纸面内的光振动较强，下图表示垂直纸面的光振动较强。要注意，这种偏振光各方向的光矢量之间也没有固定的相的关系。2.1.4 圆偏振光和椭圆偏振光 这两种光的特点是在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量按一定频率旋转。如果光矢 ）量端点轨迹是一个圆，这种光叫圆偏振光（见上右图（a）。如果光矢量端点轨迹是一个椭 ）圆，这种光叫椭圆偏振光（见上右图（b）。2.2 偏振片 偏振片是利用某些有机化合物晶体的 “二向色性”制成的。当自然光通过这种偏振片后，光矢量垂直于偏振片透振方向的分量几乎完全被吸收， 光矢量平行于透振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。 偏振片对入射光具有遮蔽和透过的功能，可使纵向光或横向光一种透过，一种遮蔽。它是由偏振膜、 内保护膜、压敏胶层及外保护膜层压而成的复合材料。有黑白和彩色二类，按应用又可分

成透射、透反射及反透射三类。 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状态的器件。 3 偏振光的研究 本硕 111 班 龚林吉 57011110662.3 马吕斯定律 如果光源中的任一波列（用振动平面 E 表示）投射在起偏器 P 上，只有相当于它的成分之一的 E y （平行于光轴方向的矢量）能够通过，另一成分 E x E cos θ 则被吸收。若投射在检偏器 A 上的线偏振光的振幅为 E 0 ，则透过 A 的振幅为 E 0 cos θ （这里 θ 是 P 与 A 偏振 。由于光强与振幅的平方成正比，所以透射光强 I 随 θ 而变化的关系为：方向之间的夹角） I I 0 cos 2 θ式中 I 0 为进入检偏器前（偏振片无吸收时）线偏振光的强度。 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。2.4 椭圆偏振光、圆偏振光的产生和 四分之一波片的作用 四分之一波片的作用 椭圆偏振光、圆偏振光的产生和四分之一波片 若使线偏振光垂直入射一透光面平行于光

轴， 厚度为 d 的晶片，此光因晶片的各向异性而分裂成遵从折射定律的寻常光（o 光）和不遵从折射定律的非常光（e 光） 。因 o 光和 e光在晶体中这两个相互垂直的振动方向有不同的光速， 分别称做快轴和慢轴。 设入射光振幅为A，振动方向与光轴夹角为θ，入射晶面后 o 光和 e 光振幅分

别为 A sin θ 和 A cos θ 出射后相位差 2π 式中 n 0 n e d ； λ 0 是光在真空中 λ0的波长， n 0 和 n e 分别是 o 光和 e 光的折射率。这种能使相互垂直振动的平面偏振光产生一定相位差的晶片就叫做波片。 如果以平行于波片光轴方向为 x 坐标，垂直于光轴方向为 y 坐标出射的 o 光和 e 光可用两个简谐振动方程式表示： x Ae sin ω t ； y Ao sinω t 该两式的合振动方程式可写成 x2 y2 2 xy 2 2 cos sin 2 A e A o Ae Ao 一般说来，这是一个椭圆方程，代表椭圆偏振光。但是当 2kπ ； k 1 2 3 或 2k 1π ； k 1 2 3 时，合振动变成振动方向不同的线偏振光。后一种情况，晶 2k 1 λ片厚度 d ；可使 o 光和 e 光产生 2k 1λ / 2 的光程差，这样的晶片称做半波片 n0 ne 2 4 偏振光的研究 本硕 111 班 龚林吉

5701111066 2 2 π x y而当 2k 1 ； k 1 2 3 时，合振动方程化为正椭圆方程： 2 2 1 2 Ae A0 2k 1 λ 这时晶片厚度 d ，称做 1/4 波片。它能使线偏振光改变偏振态，变成椭圆 n0 ne 4偏振光。但是当入射光振动面与波片光轴夹角 θ ＝45°时， Ae ＝ A0 ，合振动方程可写成 2 2 2x y A ；即获得圆偏振光。三、实验仪器 He-Ne 激光器，光具座，光靶，光学测角台，偏振片，黑玻璃镜， 1/4 波片，白屏，光功率计等。四、实验内容与操作4.1 验证线偏振光（即马吕斯定律）4.1A．将万用表调到直流电压档，记录其Ｕ 值； ０B．打开激光管电源，调节共轴；C．取下 1/4 波片；D．旋转ｐ 至

电压 U 值最大处停（ｐ ，ｐ 平行状态 θ 为 0 度） ２ １ ２ ，记录ｐ 所处的位置和 U 值 ２E．旋转ｐ 一周，每周隔 15 度记录一次 U 值 ２F. 作 θ —（U-U0图4.2 验证椭圆偏振光 含圆偏振光4.2 验证椭圆偏振光 含圆偏振光

A．未放置 1/4 波片前，调节ｐ 至电压 U 值最小处停，记录此时ｐ 所处的位置； ２ ２B．ｐ ，ｐ 中间放入 1/4 波片，旋转 1/4 波片至电压 U 值最小处停，记录 1/4 波片此时所 １ ２ 5 偏振光的研究 本硕 111 班 龚林吉

5701111066 处的位置1/4 波片与ｐ 平行， α 为 0 度； １

C．旋转ｐ 一周，每周隔 15 度记录一次 U 值； ２ D．改变 α 角1/4 波片与ｐ 的夹角为 30 度和 45 度分别旋转ｐ 一周，每周隔 15 度记录一 １ ２ 次 U 值； E．分别画出 α ＝03045 度时的 θ —（U-U0图； 五、实验数据记录与处理 5.1 验证马拉斯定律 5.1.1 实验原始数据记

录 ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° °旋转角度 θ 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 U /V 0.414 0.414 0.411 0.404 0.392 0.372 0.329 0.296 0.354 0.381 0.396 0.405 0.41U U 0 0.148 0.148 0.145 0.138 0.126 0.106 0.063 0.03 0.088 0.115 0.13 0.139

0.144 ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° ° °旋转角度 θ 195 210 225 240 255 270 285 300 315 330 345 360 U /V 0.411 0.409 0.403 0.392 0.371 0.328 0.363 0.383 0.396 0.405 0.411 0.413U U 0 0.145 0.143 0.137 0.126 0.105 0.062 0.097 0.117 0.13 0.139 0.145 0.147

5.1.2 实验数据的分析与处理 方法一：用 excel 软件进行处理 方法一：用 将上表数据输入 excel，以 θ 为横坐标， U U 0 为纵坐标可得下图： 验证马拉斯定理实验数据处理图 （本硕111班龚林吉5701111066） 0.2 0.15 电压/（V） 0.1 0.05 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 0 角度/度 6 偏振光的研究 本硕 111 班 龚林吉 5701111066 方法二：用 matlab 软件进行处理 方法二：用 根据上表数据，编写 matlab 程序可以得到下图： Matlab 源程序如下： x0:15:360 y0.148 0.148 0.145 0.138 0.126 0.106 0.063 0.03 0.088 0.115 0.13 0.139 0.144 0.145 0.143 0.137 0.126 0.105

0.062 0.097 0.117 0.13 0.139 0.145 0.147 plotxyr xlabel角度／度 ylabel电压／V title验证马吕斯定律数据分析图（本硕 1.