偏振光实验报告.pdf

实验报告 学生姓名：学 号：指导教师： 实验地点：实验时间： 一、实验室名称： 偏振光实验室 二、实验项目名称： 偏振光实验 三、实验学时： 四、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。 （一）线偏振光的产生 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。起偏角的数值与反射物质的折射率n的关系是： ntan（1） 称为布如斯特定律，如图 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。 图 1 图 2 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 2 所示。 分子型偏振片的有效起偏范围几乎可达到180度，用它可得到较宽 的偏振光束，是常用的起偏元件。 图 3 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 3 所示， 图中 ( ) 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。 （二）圆偏振光和椭圆偏振光的产生 线偏振光垂直入射晶片，如果光轴平行于晶片的表面，会产生比较特殊的双折射现象。 这时，非常光e和寻常光o的传播方向是一致的，但速度不同，因而从晶片出射时会产生相 位差 dnn e) ( 2 0 0 （2） 式中 0表示单色光在真空中的波长，o n和 e n分别为晶体中o光和e光的折射率，d为 晶片厚度。 1如果晶片的厚度使产生的相位差 1 (21) 2 k，k=0，1， 2，这样的晶片称 为 1/4 波片，其最小厚度为 0 min 4() oe d nn 。线偏振光通过1/4 波片后，透射光一般是椭 圆偏振光； 当=/4 时，则为圆偏振光； 当 0或/2 时，椭圆偏振光退化为线偏振光。 由此可知， 1/4 波片可将线偏振光变成椭圆偏振光或圆偏振光；反之，它也可将椭圆偏振光 或圆偏振光变成线偏振光。 2如果晶片的厚度使产生的相差)12( k，k=0，1，2，这样的晶片称为半 波片， 其最小厚度为 0 min 2() oe d nn 。如果入射线偏振光的振动面与半波片光轴的交角为 ，则通过半波片后的光仍为线偏振光，但其振动面相对于入射光的振动面转过2角。 3 如果晶片的厚度使产生的相差2k，k=1，2，3，这样的晶片称为全波片， 其最小厚度为 0 min oe d nn 。从该波片透射的光为线偏振光。 （三）线偏振光通过检偏器后光强的变化 强度为 0 I的线偏振光通过检偏器后的光强I为 2 0 cosII （3） 式中，为线偏振光偏振面和检偏器主截面的夹角，（3）式为马吕斯（Malus）定律， 它表示改变角可以改变透过检偏器的光强。 当起偏器和检偏器的取向使得通过的光量极大时，称它们为平行（此时= 0 0） 。当二 者的取向使系统射出的光量极小时，称它们为正交（此时= 90 0） 。 （四）布儒斯特角 光线斜射向非金属介质的表面，当入射角是某一数值时，其反射光为线偏振光，该入射 角叫起偏角，又称布儒斯特角。 以自然光入射两种介质的界面，其反射光和折射光通常都是部分偏振光。 五、实验目的： （一）理解光的各种偏振特性； （二）学会鉴别圆偏振光、线偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光； （三）验证马吕斯定律； （四）通过测布儒斯特角求材料的相对折射率。 六、实验内容： （一）观察起偏和消光现象； （二）鉴别圆偏振光、线偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光； （三）验证马吕斯定律； （四）了解1/4 波片和 1/2 波片的作用； （五）通过测布儒斯特角求材料的相对折射率。 七、实验器材（设备、元器件） ： 半导体激光器1 个，具有测量垂直旋转角度功能的偏振片2 个、1/4 波片 1 个和 1/2 波 片 1 个，带底座玻片1 个，布儒斯特角专用旋转工作台和转动支架1 个，普通光具座若干， 光学导轨（两组合用）1 条，光强传感器和相对光强测量仪1 套。 八、实验步骤： 进行以下操作时，应保证激光束与光学导轨平行，且激光束垂直穿过所有镜片的圆心， 到达传感器的中心。 （一）观察起偏和消光现象。 1起偏：将激光投射到屏上，在激光束中插入一偏振片，使偏振片在垂直于光束的平 面内转动，观察透过光强的变化，并据此判断激光束（光源）的偏振情况。 2消光：在第一片偏振片和屏之间加入第二块偏振片，将第一块固定，转动第二块偏 振片，观察现象，能否找到一个消光位置，此时两偏振片的位置关系怎样？ 12 / nntg （二）验证马吕斯定律 数据记录表见表1- 1。首先在光源后放上P1，使激光束垂直通过P1中心， 旋转 P1使光强 最强（光电流的读数应在200- 1500 之间） ，记下P1的角度坐标，再在P1之后加入 P2，使光 线垂直通过P2中心，旋转P2到透过之光最强，记下P2的度数，此时P1和 P2的夹角为=0° 或 180°，保持P1不动，旋转P2，每隔 10°记录一次对应的光强值I，直到旋转180°。 注意光强测试仪的读数与光强成线性关系，但没有定标，I不代表绝对光强，可以不写单 位。 （三） 1/4 波片和 1/2 波片的作用 11/4 波片的作用： 数据记录及分析表见表1- 2。保持P1不动，记下P1的度数，旋转P2到看到消光现象， 记下 P2的度数，然后在P1、P2之间插入1/4 波片 C1，并使C1转动到再次出现消光现象，记 下此时 C1的度数，然后使C1由消光位置分别再转过15°、 30°、 45°、 60°、 75°、 90° 时，每次都将P2逐步旋转360°，观察其间光强的变化情况，试问能看到几次光强极大和极 小的现象？各次之间有无变化？为什么？并说明各次由C1透出光的偏振性质。 21/2 波片的作用 数据记录表见表1- 3。保持 P1不动，记下P1的度数，旋转P2到看到消光现象。 （1）在 P1和 P2之间插入一个1/2 波片，将此波片旋转360°，能看到几次消光？ （2）将 1/2 波片任意转过一个角度，破坏消光现象，再将P2旋转 360°，能看到几次 消光？ （3）改变 1/2 波片的光轴与激光通过P1后偏振方向之间夹角的数值，使其分别为 15°、30°、45°、60°、75°、90°，把 P2旋转 360°寻找消光位置，记录相应的角度p2， 解释上面实验结果，并由此总结出1/2波片的 作用。 （四）通过测布儒斯特角求材料的相对折 射率 要测量玻璃的相对折射率，首先要测出空 气中平面玻璃的布儒斯特角。为此，必须在光 具座上安装旋转工作台和转动支架。参考图 1- 1，具体步骤如下： 1在光具座上装一个移动座，其后再放入 专用移动座，并把旋转支架装到专用移动座上， 再把旋转工作台装入到专用移动座上，把接收 屏装入旋转支架的末端，把偏振片装在工作台与接收屏之间。 2在移动座上装上光源。并调整反射光、偏振片光轴、接收器光轴在同一平面内。 3将平面玻璃样品置于旋转工作台中心，并使反射面通过旋转中心，并用压片把样品 砖固定。使反射面垂直于入射光，读下此时工作台度数io。 转动载物台以改变入射角，致使反射光为线偏振光，即旋转接收屏前的偏振片时会出现 消光现象，读下此时旋转工作台的度数i1，记录到表1- 4。重复 3 次，取i1平均值。 P2 i0 i0 光源 接收屏 图 1- 1. 测量布鲁斯特角 4 0 iii l ，i为所测得布儒斯特角。由此公式求出相对折射率： tgi=n2/n1 n2=n1·tgi 式中n2为要求的相对折射率，n1为空气的折射率，值为1。 （n1是多少位有效数字？） 九、实验数据及结果分析： （一）观察起偏和消光现象 （1）起偏：在激光束中插入一偏振片，360 0 旋转偏振片，观察透过光强几乎看不出明暗变 化，根据光源判断已起偏得到偏振光。 （2）消光：在第一片偏振片和屏之间加入第二块偏振片，360 0 转动第二块偏振片，观察透 过光强有2 次消光， 2 次最强的现象，在消光位置，此时两偏振片的位置相互垂直。 （二）验证马吕斯定律 P1=_302 0_， P 2=_345 0_ P1和 P2之间的夹角0°10°20°30°40°50°60°70°80°90° 光电流I797780743693630534413240838 P1和 P2之间的夹角100° 110° 120° 130° 140° 150° 160° 170° 180° 光电流I30130310470574667731768785 计算 cos 2 值 P1和 P2之间的夹角0°10°20°30°40°50°60°70°80°90° 光电流I797780743693630534413240838 cos cos 2 绘制出I和Icos 2 曲线图，并分析曲线的含义。 光电流I和 P1和 P2之间的夹角的关系图 从图中可以看出光电流I随着有小变大其值由最大变为零又变为最大，变化形式为 余弦函数关系。 光电流I与 cos 2 关系图 由 2 cosI 可知道 2 cos与I 成线性关系。 （三） 1/4 波片的作用 o P0 1 o P5.92 2 o C90 4 1 波片 / 度 I I cos 2 1 C由消光位置分别再转过 o 0 o 15 o 30 o 45 o 60 o 75 o 90 2 P 旋转 o 360光强几次极大, 几次极小 各 2 次各 2 次各 2 次0 次各 2 次各 2 次各 2次 各次之间光强变化明显程度很明显较明显不明显无变化不明显较明显很明显 1 C透出光的偏振性质 线偏振椭圆椭圆圆偏振椭圆椭圆线偏振 总结 1/4 波片的作用： 答：1/4 波片可将线偏振光变成椭圆偏振光或圆偏振光；反之，它也可将椭圆偏振光或圆偏 振光变成线偏振光 （四） 1/2 波片的作用 1在 P1和 P2之间插入一个1/2 波片，将此波片旋转360 0，能看到几次消光？请加以解 释。 答：能看到四次消光。如果入射线偏振光的振动面与半波片光轴的交角为，则通过半 波片后的光仍为线偏振光，但其振动面相对于入射光的振动面转过2角。 2将 1/2 波片任意转过一个角度，破坏消光现象，再将P2旋转 360 0，又能看到几次消 光？为什么？ 答：能看到两次消光。如果入射线偏振光的振动面与半波片光轴的交角为，则通过半 波片后的光仍为线偏振光，但其振动面相对于入射光的振动面转过2角。 3改变 1/2 波片的快（或慢）轴与激光振动方向之间夹角的数值，使其分别为15 0、 30 0 、45 0、600、750、900，旋转 P 2到消光位置，记录相应的角度p2。 表 1- 3 1/2波片数据记录表 P1=_36 0_， P 2=_126 0_， 1/2 波片 C 2=_95 0_ 0°15°30°45°60°75°90° P2所在的消 光位置 P2： ( 位置 1) ( 位置 2) 126 0 302 0 156 0 332 0 184 0 5 0 215 0 35 0 245 0 64 0 274 0 93 0 303 0 125 0 解释上面实验结果，并由此总结出1/2 波片的作用。 答：如果入射线偏振光的振动面与半波片光轴的交角为，则通过半波片后的光仍为线 偏振光，不改变入射光的偏振性质，但其振动面相对于入射光的振动面转过 2 角。 （五）通过测布儒斯特角求材料的相对折射率 测量次数123 io°°° i1°°° i= i1- io°°° 由公式 i=i1- io和 tgi=n2/n1，求材料的相对折射率和相对误差。 0 321 5.560 .566.570.56iiii 玻璃材料折射律： 21 56.51.51ntgitgitgn o I 相对误差：%5.3%100 45845. 1 45845.1-51.1 %100 - E 2 标 标测 n nn n 十、实验结论： 1、本实验通过偏振片观察到了起偏和消光现象。 2 掌握了 1/4 波片的作用： 线偏振光通过1/4 波片后，投射光一般是椭圆偏振光；当=/4 时则为圆偏振光；=0 或/2 当时，椭圆偏振光退化为线偏振光。由此可知，1/4 波片可 将线偏振光变成椭圆偏振光或圆偏振光；反之，它也可将椭圆偏振光或圆偏振光变成线偏振 光。 3掌握了1/2 波片的作用：由实验数据可以看出：如果入射线偏振光的振动面与波片光轴 的交角为，则通过半波片后的光仍为线偏振光，但其振动面相对于入射光转过2。 4验证马吕斯定律：结果分析：由 2 cosI 可知道 2 cos与I 成线性关系，满足马吕 斯定律 2 0 cosII。 5通过测定布儒斯特角求材料的相对折射律：所测玻璃材料相对折射率为。 十一、总结及心得体会、实验改进： 本实验的设计简明易懂，能使大家能很好地理解其实验的原理，对光偏振的特性既有理 性的认识， 又有感性的认知，理论结合实践，也提高了对学习的热情。光的干涉和衍射现象 揭示了光的波动性，而光的偏振现象却直接有力地证明了光波是横波。本实验通过对偏振光 的观察和分析，帮助我们加深对光的偏振基本规律的理解。 本次实验我通过对偏振光的观察和分析，加深了对光的偏振基本规律的理解。实验中， 我观察了光的偏振现象，掌握产生偏振光的方法和检验方法；了解了 1/4 和 1/2 波片的的作 用及不同偏振性质光产生和检验的方法；完成了验证马吕斯定律；通过测定布儒斯特角求材 料的相对折射率等内容。 通过本次试验，使我进一步的了解到了偏振光的有关知识。对光有了更深一步的了解。 本实验若能提高仪器在采集光源时的灵敏度，那么在光源对准仪器时就不会难调节了， 偏振片偏振化方向与角度对应关系需要再进一步的调整。 报告评分： 指导教师签字：