1、实 验 报 告 姓 名： 高阳 班 级： F0703028 学 号： 5070309013 实验成绩： 同组姓名： 王雪峰 实验日期： 2008-3-3 指导老师： 助教 10 批阅日期： 偏振光学实验 【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。如果光在传播过
2、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（见图）。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（见图 2）。 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
3、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。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 ，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 A， A=A0 cos ，强度 I=A2 ， I=A02 cos 2= 02 cos 2=cos 2 式中 I0为进入检偏器前（检偏器无吸收时）线偏振光的强度。 这就是年马吕斯在实验中发现的，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，透射光强度将发生周期变化。 若入射光是部分偏振光或
4、椭圆偏振光，则极小值部位。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。 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 当平面偏振光同过 1/2波片后，产生的仍是平面偏振光，但它与原入射光 的夹角为 2 （ 为入射光振动面与波片光轴的夹角，下同） ； 当平面偏振光同过 1/4波片后，产生偏振光 的性质与 相关： = 0时：出射光为振动方向平行 1/4 波片光轴的平面偏振光。 = 2时：出射光为振动方向垂直 1/4波片光轴的平面偏振光。 = 4时：出射光为圆偏振光。 为其他值时，出射光为椭圆偏振光。
5、我们使平面偏振光通过 1/2波片， 1/4波片，产生各种性质的偏振光，来研究它们的性质以及它们之间的关系。 原始数据记录表 1 验证马吕斯定 律 偏振片初始角度为 218度 从 表中可知 ,当偏振片角度余弦的平方值相同时 ,光电流值也基本保持相同 ,这就说明光电流值与偏振片角度余弦的平方值相关 。 下面我们取表格中的前一半数据 (即一组不同的角度和其对应得光电流值作图 )，来观察其关系 偏振片角度 90 84 78 72 66 60 54 48 42 36 角度余弦值 2 0 0.011 0.043 0.095 0.165 0.250 0.345 0.448 0.552 0.655 光电流 强
6、度 0 0 7 15 27 40 54 69 84 98 偏振片角度 30 24 18 12 6 0 -6 -12 -18 -24 角度余弦值 2 0.750 0.835 0.905 0.957 0.989 1 0.989 0.957 0.905 0.835 光电流 强度 111 122 130 135 137 139 139 138 132 123 偏振片角度 -30 -36 -42 -48 -54 -60 -66 -72 -78 -84 角度余弦值 2 0.750 0.655 0.552 0.448 0.345 0.250 0.165 0.095 0.043 0.011 光电流 强度 11
7、0 98 83 68 54 39 26 15 7 0 从图中可见，光电流强度与角度余弦值的平方成线形关系，这也就验证了马吕斯定律。 2.线偏振光通过 1/2 波片时的现象和 1/2波片的作用 1/2波片转过角度 初始 10 20 30 40 50 60 70 80 90 检偏器 A转过角度 0 20 21 20 20 20 20 20 19 20 由此可见 ,为达到消光 ,检偏器转过角度与 1/2波片转过角度保持一致 。 而若检偏器固定 ,将 1/2波片转过 360度 ,会观察到两次消光 ； 同样地 ,若 1/2波片固定 ,将检偏器转过 360度 ,同样会观察到两次消光 。 由此可见 ,线偏振
8、光通过 1/2波片后 ,它仍是线偏振光 ,只是发生了角度的改变 而已 。 3用 1/4 波片产生圆偏 振光 和椭圆偏振光。 波片转 20度时 下面通过作图，来观察二者的关系 检偏器角度 0 10 20 30 40 50 60 70 80 光电流 强度 27 36 46 56 65 72 76 77 74 检偏器 角度 90 100 110 120 130 140 150 160 170 光电流 强度 68 60 50 40 31 24 20 19 21 检偏器 角度 180 190 200 210 220 230 240 250 260 光电流 强度 27 35 45 55 64 71 76
9、77 74 检偏器 角度 270 280 290 300 310 320 330 340 350 光电流 强度 68 60 50 40 31 24 20 19 21 波片转 45度时 检偏器角度 0 10 20 30 40 50 60 70 80 光电流 强度 46 41 38 35 34 34 36 40 44 检偏器 角度 90 100 110 120 130 140 150 160 170 光电流 强度 49 53 57 59 61 60 58 55 51 检偏器 角度 190 200 210 220 230 240 250 260 270 光电流 强度 46 41 38 35 34 3
10、4 36 40 44 检偏器 角度 280 290 300 310 320 330 340 350 360 光电流 强度 49 53 57 59 61 61 59 55 51 此图像与圆偏振光 比较 可知， 1/4波片转 角 为 4 时，产生的是圆偏振光。 将此图像与上一图像进行比较，即将 1/4 波片转 20度与转 40度时的图像进行比较：可知 45度时光电流强度的最大值较小，最小值较大，最大值与最小值之差减小了。而且 45 度与 20度时产生极值的角度值发生了变化。这些都是由于1/4波片角度发生了改变，使合成的偏振状态也发生了改变。 【 分析讨论 】 1 实验中获得的数据与理想情况还是有一
11、定的误差。因为在实验室中，许多组实验在同时进行，光是很敏感的，自己的仪器受其他实验产生的光的影响还是很大的。我们在实验尽量挡住其他方向来的光，这样使实验结果趋于理想。 2 关于实验中零点的取值：我们在实验中发现有连续的好几个数据点的值都是0，这样就不好选取 0 点，所以就大致取中间的一个数据点作为 0 点，最后统计数据时发现有时这个 0 点的选取还是有偏差的，所以在实验报告中对个别零点进行了调整。 【 思考题 】 1.答：当 = cos1 33 时，透射光是入射自然光强的 1/3； 当 = cos1 33 时，透射光是最大透射光强的 1/3，因为最大透射光强就 是入射自然光强。 2.答：在相互正交的偏振片 P1和 P2中间插进一块 1/4波片，使其光轴跟起偏器 P1的光轴平行，那么透过起偏器 P2的光斑是暗的 ,因为通过 P1后的出射光为振动方向平行 1/4 波片光轴得平面 ，即平行于 P1的光轴 。将 P2转动 90 度后，光斑变成亮的，因为这时 P2的光轴与 P1的光轴也平行了。 3.答：在第二题中如果用 1/2波片代替 1/4 波片，结果是相同的。
