偏振光實驗報告

1、實 驗 報 告學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師：實驗地點： 實驗時間：一、實驗室名稱：偏振光實驗室 二、實驗項目名稱：偏振光實驗三、實驗學(xué)時： 四、實驗原理：光波的振動方向與光波的傳播方向垂直。自然光的振動在垂直與其傳播方向的平面內(nèi)，取所有可能的方向；某一方向振動占優(yōu)勢的光叫部分偏振光；只在某一個固定方向振動的光線叫線偏振光或平面偏振光。將非偏振光（如自然光）變成線偏振光的方法稱為起偏，用以起偏的裝置或元件叫起偏器。（一）線偏振光的產(chǎn)生1非金屬表面的反射和折射光線斜射向非金屬的光滑平面（如水、木頭、玻璃等）時，反射光和折射光都會產(chǎn)生偏振現(xiàn)象，偏振的程度取決于光的入射角及反射物質(zhì)的性質(zhì)。當(dāng)入射角是

2、某一數(shù)值而反射光為線偏振光時，該入射角叫起偏角。起偏角的數(shù)值與反射物質(zhì)的折射率的關(guān)系是： （1）稱為布如斯特定律，如圖1所示。根據(jù)此式，可以簡單地利用玻璃起偏，也可以用于測定物質(zhì)的折射率。從空氣入射到介質(zhì)，一般起偏角在53度到58度之間。非金屬表面發(fā)射的線偏振光的振動方向總是垂直于入射面的；透射光是部分偏振光；使用多層玻璃組合成的玻璃堆，能得到很好的透射線偏振光，振動方向平行于入射面的。圖 1 圖 22偏振片分子型號的偏振片是利用聚乙烯醇塑膠膜制成，它具有梳狀長鏈形結(jié)構(gòu)的分子，這些分子平行地排列在同一方向上。這種膠膜只允許垂直于分子排列方向的光振動通過，因而產(chǎn)生線偏振光，如圖2所示。分子型偏振

3、片的有效起偏范圍幾乎可達(dá)到180度，用它可得到較寬的偏振光束，是常用的起偏元件。圖 3鑒別光的偏振狀態(tài)叫檢偏，用作檢偏的儀器叫或元件叫檢偏器。偏振片也可作檢偏器使用。自然光、部分偏振光和線偏振光通過偏振片時，在垂直光線傳播方向的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)偏振片時，可觀察到不同的現(xiàn)象，如圖3所示，圖中()表示旋轉(zhuǎn)P，光強不變，為自然光；（b）表示旋轉(zhuǎn)P，無全暗位置，但光強變化，為部分偏振光；（c）表示旋轉(zhuǎn)P，可找到全暗位置，為線偏振光。（二）圓偏振光和橢圓偏振光的產(chǎn)生線偏振光垂直入射晶片，如果光軸平行于晶片的表面，會產(chǎn)生比較特殊的雙折射現(xiàn)象。這時，非常光和尋常光的傳播方向是一致的，但速度不同，因而從晶片出射時會

4、產(chǎn)生相位差 （2）式中表示單色光在真空中的波長，和分別為晶體中光和光的折射率，為晶片厚度。1如果晶片的厚度使產(chǎn)生的相位差，k=0，1，2，這樣的晶片稱為1/4波片，其最小厚度為。線偏振光通過1/4波片后，透射光一般是橢圓偏振光；當(dāng)=/4時，則為圓偏振光；當(dāng)或/2時，橢圓偏振光退化為線偏振光。由此可知，1/4波片可將線偏振光變成橢圓偏振光或圓偏振光；反之，它也可將橢圓偏振光或圓偏振光變成線偏振光。2如果晶片的厚度使產(chǎn)生的相差，k=0，1，2，這樣的晶片稱為半波片，其最小厚度為。如果入射線偏振光的振動面與半波片光軸的交角為，則通過半波片后的光仍為線偏振光，但其振動面相對于入射光的振動面轉(zhuǎn)過角。3

5、如果晶片的厚度使產(chǎn)生的相差，k=1，2，3，這樣的晶片稱為全波片，其最小厚度為。從該波片透射的光為線偏振光。（三）線偏振光通過檢偏器后光強的變化強度為的線偏振光通過檢偏器后的光強為 （3）式中，為線偏振光偏振面和檢偏器主截面的夾角，（3）式為馬呂斯（Malus）定律，它表示改變角可以改變透過檢偏器的光強。當(dāng)起偏器和檢偏器的取向使得通過的光量極大時，稱它們?yōu)槠叫校ù藭r= 00）。當(dāng)二者的取向使系統(tǒng)射出的光量極小時，稱它們?yōu)檎唬ù藭r= 900）。（四）布儒斯特角光線斜射向非金屬介質(zhì)的表面，當(dāng)入射角是某一數(shù)值時，其反射光為線偏振光，該入射角叫起偏角，又稱布儒斯特角。以自然光入射兩種介質(zhì)的界面，其反

6、射光和折射光通常都是部分偏振光。五、實驗?zāi)康模海ㄒ唬├斫夤獾母鞣N偏振特性；（二）學(xué)會鑒別圓偏振光、線偏振光、橢圓偏振光和部分偏振光；（三）驗證馬呂斯定律；（四）通過測布儒斯特角求材料的相對折射率。 六、實驗內(nèi)容：（一）觀察起偏和消光現(xiàn)象；（二）鑒別圓偏振光、線偏振光、橢圓偏振光和部分偏振光；（三）驗證馬呂斯定律；（四）了解1/4波片和1/2波片的作用； （五）通過測布儒斯特角求材料的相對折射率。七、實驗器材（設(shè)備、元器件）：半導(dǎo)體激光器1個，具有測量垂直旋轉(zhuǎn)角度功能的偏振片2個、1/4波片1個和1/2波片1個，帶底座玻片1個，布儒斯特角專用旋轉(zhuǎn)工作臺和轉(zhuǎn)動支架1個，普通光具座若干，光學(xué)導(dǎo)軌（兩

7、組合用）1條，光強傳感器和相對光強測量儀1套。八、實驗步驟：進(jìn)行以下操作時，應(yīng)保證激光束與光學(xué)導(dǎo)軌平行，且激光束垂直穿過所有鏡片的圓心，到達(dá)傳感器的中心。（一）觀察起偏和消光現(xiàn)象。1起偏：將激光投射到屏上，在激光束中插入一偏振片，使偏振片在垂直于光束的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，觀察透過光強的變化，并據(jù)此判斷激光束（光源）的偏振情況。2消光：在第一片偏振片和屏之間加入第二塊偏振片，將第一塊固定，轉(zhuǎn)動第二塊偏振片，觀察現(xiàn)象，能否找到一個消光位置，此時兩偏振片的位置關(guān)系怎樣？（二）驗證馬呂斯定律數(shù)據(jù)記錄表見表11。首先在光源后放上P1，使激光束垂直通過P1中心，旋轉(zhuǎn)P1使光強最強（光電流的讀數(shù)應(yīng)在2001500之

8、間），記下P1的角度坐標(biāo)，再在P1之后加入P2，使光線垂直通過P2中心，旋轉(zhuǎn)P2到透過之光最強，記下P2的度數(shù)，此時P1和P2的夾角為=0或180，保持P1不動，旋轉(zhuǎn)P2，每隔10記錄一次對應(yīng)的光強值，直到旋轉(zhuǎn)180。注意光強測試儀的讀數(shù)與光強成線性關(guān)系，但沒有定標(biāo)， 不代表絕對光強，可以不寫單位。（三）1/4波片和1/2波片的作用11/4波片的作用：數(shù)據(jù)記錄及分析表見表12。保持P1不動，記下P1的度數(shù)，旋轉(zhuǎn)P2到看到消光現(xiàn)象，記下P2的度數(shù)，然后在P1、P2之間插入1/4波片C1，并使C1轉(zhuǎn)動到再次出現(xiàn)消光現(xiàn)象，記下此時C1的度數(shù)，然后使C1由消光位置分別再轉(zhuǎn)過15、30、45、60、75

9、、90時，每次都將P2逐步旋轉(zhuǎn)360，觀察其間光強的變化情況，試問能看到幾次光強極大和極小的現(xiàn)象？各次之間有無變化？為什么？并說明各次由C1透出光的偏振性質(zhì)。 21/2波片的作用數(shù)據(jù)記錄表見表13。保持P1不動，記下P1的度數(shù)，旋轉(zhuǎn)P2到看到消光現(xiàn)象。（1）在P1和P2之間插入一個1/2波片，將此波片旋轉(zhuǎn)360，能看到幾次消光？（2）將1/2波片任意轉(zhuǎn)過一個角度，破壞消光現(xiàn)象，再將P2旋轉(zhuǎn)360，能看到幾次消光？圖11. 測量布魯斯特角（3）改變1/2波片的光軸與激光通過P1后偏振方向之間夾角的數(shù)值，使其分別為15、30、45、60、75、90，把P2旋轉(zhuǎn)360尋找消光位置，記錄相應(yīng)的角度p2

10、，解釋上面實驗結(jié)果，并由此總結(jié)出1/2波片的作用。（四）通過測布儒斯特角求材料的相對折射率要測量玻璃的相對折射率，首先要測出空氣中平面玻璃的布儒斯特角。為此，必須在光具座上安裝旋轉(zhuǎn)工作臺和轉(zhuǎn)動支架。參考圖11，具體步驟如下：1在光具座上裝一個移動座，其后再放入專用移動座，并把旋轉(zhuǎn)支架裝到專用移動座上，再把旋轉(zhuǎn)工作臺裝入到專用移動座上，把接收屏裝入旋轉(zhuǎn)支架的末端，把偏振片裝在工作臺與接收屏之間。2在移動座上裝上光源。并調(diào)整反射光、偏振片光軸、接收器光軸在同一平面內(nèi)。3將平面玻璃樣品置于旋轉(zhuǎn)工作臺中心，并使反射面通過旋轉(zhuǎn)中心，并用壓片把樣品磚固定。使反射面垂直于入射光，讀下此時工作臺度數(shù)io。轉(zhuǎn)動

11、載物臺以改變?nèi)肷浣?，致使反射光為線偏振光，即旋轉(zhuǎn)接收屏前的偏振片時會出現(xiàn)消光現(xiàn)象，讀下此時旋轉(zhuǎn)工作臺的度數(shù)i1，記錄到表14。重復(fù)3次，取i1平均值。4，為所測得布儒斯特角。由此公式求出相對折射率：tg=n2/n1 n2=n1tg式中 n2為要求的相對折射率， n1為空氣的折射率，值為1。（n1是多少位有效數(shù)字？）九、實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析：（一）觀察起偏和消光現(xiàn)象（1）起偏：在激光束中插入一偏振片，3600旋轉(zhuǎn)偏振片，觀察透過光強幾乎看不出明暗變化，根據(jù)光源判斷已起偏得到偏振光。（2）消光：在第一片偏振片和屏之間加入第二塊偏振片，3600轉(zhuǎn)動第二塊偏振片，觀察透過光強有2次消光，2次最強的現(xiàn)象，

12、在消光位置，此時兩偏振片的位置相互垂直。（二）驗證馬呂斯定律 P1=_3020_， P2=_3450_P1和P2之間的夾角0102030405060708090光電流I797780743693630534413240838P1和P2之間的夾角100110120130140150160170180光電流I30130310470574667731768785計算cos2值P1和P2之間的夾角0102030405060708090光電流I797780743693630534413240838cos1.000.9850.9400.8660.7660.6430.5000.3400.1740.00cos2

13、1.000.9700.8830.7500.5870.4130.2500.1170.0300.00繪制出和cos2曲線圖，并分析曲線的含義。/度I 光電流和P1和P2之間的夾角的關(guān)系圖I 從圖中可以看出光電流隨著有小變大其值由最大變?yōu)榱阌肿優(yōu)樽畲?，變化形式為余弦函?shù)關(guān)系。cos2 光電流與cos2關(guān)系圖 由可知道與成線性關(guān)系。（三）1/4波片的作用 I由消光位置分別再轉(zhuǎn)過旋轉(zhuǎn)光強幾次極大,幾次極小各2次各2次各2次0次各2次各2次各2次各次之間光強變化明顯程度很明顯較明顯不明顯無變化不明顯較明顯很明顯透出光的偏振性質(zhì)線偏振橢圓橢圓圓偏振橢圓橢圓線偏振總結(jié)1/4波片的作用：答：1/4波片可將線偏振

14、光變成橢圓偏振光或圓偏振光；反之，它也可將橢圓偏振光或圓偏振光變成線偏振光（四）1/2波片的作用1在P1和P2之間插入一個1/2波片，將此波片旋轉(zhuǎn)3600，能看到幾次消光？請加以解釋。答：能看到四次消光。如果入射線偏振光的振動面與半波片光軸的交角為，則通過半波片后的光仍為線偏振光，但其振動面相對于入射光的振動面轉(zhuǎn)過角。2將1/2波片任意轉(zhuǎn)過一個角度，破壞消光現(xiàn)象，再將P2旋轉(zhuǎn)3600，又能看到幾次消光？為什么？ 答：能看到兩次消光。如果入射線偏振光的振動面與半波片光軸的交角為，則通過半波片后的光仍為線偏振光，但其振動面相對于入射光的振動面轉(zhuǎn)過角。3改變1/2波片的快（或慢）軸與激光振動方向之間

15、夾角的數(shù)值，使其分別為150、300、450、600、750、900，旋轉(zhuǎn)P2到消光位置，記錄相應(yīng)的角度p2。表13 1/2波片數(shù)據(jù)記錄表 P1=_360_， P2=_1260_， 1/2波片C2=_950_0153045607590P2所在的消光位置P2 ： (位置1)(位置2)1260 30201560 33201840 502150 3502450 6402740 9303030 1250解釋上面實驗結(jié)果，并由此總結(jié)出1/2波片的作用。答：如果入射線偏振光的振動面與半波片光軸的交角為，則通過半波片后的光仍為線偏振光，不改變?nèi)肷涔獾钠裥再|(zhì)，但其振動面相對于入射光的振動面轉(zhuǎn)過角。（五）通過

16、測布儒斯特角求材料的相對折射率測量次數(shù)123io2.01.51.0i158.059.157.0i= i1- io56.057.656.0由公式i=i1- io和tgi=n2/n1，求材料的相對折射率和相對誤差。玻璃材料折射律：相對誤差：十、實驗結(jié)論：1、本實驗通過偏振片觀察到了起偏和消光現(xiàn)象。2掌握了1/4波片的作用：線偏振光通過1/4波片后，投射光一般是橢圓偏振光；當(dāng)=/4時則為圓偏振光；=0或/2當(dāng)時，橢圓偏振光退化為線偏振光。由此可知，1/4波片可將線偏振光變成橢圓偏振光或圓偏振光；反之，它也可將橢圓偏振光或圓偏振光變成線偏振光。3掌握了1/2波片的作用：由實驗數(shù)據(jù)可以看出：如果入射線偏振光的振動面與波片光軸的交角為，則通過半波片后的光仍為線偏振光，但其振動面相對于入射光轉(zhuǎn)過2。4驗證馬呂斯定律：結(jié)果分析：由可知道與成線性關(guān)系，滿足馬呂斯定律。5通過測定布儒斯特角求材料的相對折射律 ：所測玻璃材料相對折射率為1.51 。十一、總結(jié)及心得體會、實驗改進(jìn)：本實驗的設(shè)計簡明易懂，能使大家能很好地理解其實驗的原理，對光偏振的特性既有理性的認(rèn)識，又有感性的認(rèn)知，理論結(jié)合實踐，也提高了對學(xué)習(xí)的熱情。光的干涉和衍射現(xiàn)象揭示了光的波動性，而光的偏振現(xiàn)象卻直接有力地證明了光波是橫波。本實驗通過對偏振光的觀察和分析