偏振光实验报告.docx

1、偏振光实验报告实 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

2、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：tan n （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 22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

3、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

4、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2(n ne )d0（2）0式中0 表示单色光在真空中的波长， no 和 ne 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12(2k 1) ，k=0，1， 2， ，这样的晶片称为 1/4 波片，其最小厚度为0dmin 4( )n no e。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；

5、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 (2k 1) ，k=0，1，2， ，这样的晶片称为半波片， 其最小厚度为 0dmin 2( )n no e。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 0dminn no e。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I 的线偏振光通过检偏器后的光强 I 为02I I0 cos （3）式中， 为线偏振光偏振面和检偏器主

6、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 = 00）。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 = 900）。（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。tgn2 / n1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

7、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

8、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？（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

9、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

10、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

11、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P2接收屏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。参考图光源i01- 1，具体步骤如下：1在光具座上装一个移动座，其后再放入i0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，把接收图 1- 1. 测量布鲁斯特角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

12、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。4i il i0 ，i 为所测得布儒斯特角。由此公式求出相对折射率：tg i =n2/n1n2=n1tgi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0（1）起偏：在激光束中插入一偏振片， 360化，根据光源判断已起偏得到偏振光。旋转偏

13、振片，观察透过光强几乎看不出明暗变（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=_3020_， P2=_3450_P1 和 P2 之间的夹角 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90光电流 I 797 780 743 693 630 534 413 240 83 8P1和 P2 之间的夹角 100 110 120 130 140 150 160 170 180光电流 I 30 130 310 470 574 667 731 7

14、68 7852计算 cos值P1 和 P2 之间的夹角 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90光电流 I 797 780 743 693 630 534 413 240 83 8cos 1.00 0.985 0.940 0.866 0.766 0.643 0.500 0.340 0.174 0.00 2 1.00 0.970 0.883 0.750 0.587 0.413 0.250 0.117 0.030 0.00cos2绘制出 I 和 I cos曲线图，并分析曲线的含义。I/ 度光电流 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

15、值由最大变为零又变为最大，变化形式为I余弦函数关系。2cos2光电流 I 与 cos关系图由2cos I 可知道2cos 与 I 成线性关系。（三） 1/4 波片的作用oP1 0oP2 92.5oC 904波片 1C 由消光位置分别再转过 0o 15o 30o 45o 60 o 75o 90o1I_P 旋转2o360 光强几次极大 ,各 2 次 各 2 次 各 2 次 0 次 各 2 次 各 2 次 各 2 次几次极小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C 透出光的偏振性质1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：

16、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01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？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。0，又能看到几次消 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

17、光的振动面转过 2 角。0、 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 150、450、600、750、900，旋转 P30 2 到消光位置，记录相应的角度 p2。0 0 0表 1- 3 1/2 波片数据记录表 P1=_36 _，P2=_126 _，1/2 波片 C2=_95 _ 0 15 30 45 60 75 90(位置 1)0126015601840215024502740303P2 所在的消光位置 P2 ：(位置 2)03020332050350640930125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

18、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 1 2 3io 2.0 1.5 1.0i1 58.0 59.1 57.0i= i 1- io 56.0 57.6 56.0由公式 i=i 1- i o 和 tgi=n 2/n1，求材料的相对折射率和相对误差。i0i1 i i 56.0 57.6 56.0 56.52 3玻璃材料折射律：n2 n1 tgi tgi tg 56.5 1.51n - n1.51 - 1.45845 测 标相对误差： E 100% 100% 3.5%n2n

19、 1.45845标十、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2cos I 可知道2cos 与 I 成线性关系，满

20、足马吕斯定律2I I0 cos 。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 1.51 。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：