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α与反射物质的折射率n的关系是：n

=αtan （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(α)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d n n

e )(200-=λπδ（2）

式中0λ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 δπ=+，k =0，1，2，…，这样的晶⽚称为1/4波⽚，其最⼩厚度为0min 4()o e d n n λ=

-。线偏振光通过1/4波⽚后，透射光⼀般是椭

圆偏振光；当α=π/4时，则为圆偏振光；当0=α或π/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πδ)12(+=k ，k =0，1，2，…，这样的晶⽚称为半波⽚，其最⼩厚度为0min 2()o e d n n λ=

-。如果⼊射线偏振光的振动⾯与半波⽚光轴的交⾓为

α，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α2⾓。

3． 如果晶⽚的厚度使产⽣的相差2k δπ=，k =1，2，3，…，这样的晶⽚称为全波⽚，其最⼩厚度为0min o ed n n λ=

-。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0I 的线偏振光通过检偏器后的光强θI 为θθ20cos I I = （3）

式中，θ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θ= 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θ= 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。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。1

2/n n tg =α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（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θ=0°或180°，保持P1不动，旋转P2，每隔10°记录⼀次对应的光强值Iθ，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，Iθ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1．1/4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。2．1/2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θ的数值，使其分别为15°、30°、45°、60°、75°、90°，把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i o 。

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i 1平均值。

4．0i i i l -=，i 为所测得布儒斯特⾓。由此公式求出相对折射率：tg i =n 2/n 1n 2=n 1·tg i

式中 n 2为要求的相对折射率， n 1为空⽓的折射率，值为1。（n 1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，3600

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，3600

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 P 1=__3020____， P 2=_3450___

P 1和P 2之间的夹⾓θ 100°

110° 120° 130° 140° 150° 160° 170° 180°光电流I θ 30 130 310 470 574 667 731 768 785计算cos 2θ值

P 1和P 2之间的夹⾓θ

0° 10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90° 光电流I θ 797 780 743 693 630 534 413 240 83 8 cos θ cos 2θ

绘制出I θ—θ和I θ—cos 2θ曲线图，并分析曲线的含义。光电流I θ和P 1和P 2

之间的夹⾓θ的关系图

从图中可以看出光电流I θ随着θ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。θ/度I θI θ

光电流I θ与cos 2θ关系图由2cos

θ—I θ可知道2cos θ与I θ成线性关系。（三）1/4波⽚的作⽤o P 01= o P 5.922= o C 9041=波⽚λ

1C 由消光位置分别再转过 o 0 o 15 o 30 o 45 o 60 o 75 o 902P 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 1C 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

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P 1和P 2之间插⼊⼀个1/2波⽚，将此波⽚旋转3600

，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α，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α2⾓。I θ cos 2θ

2．将1/2波⽚任意转过⼀个⾓度，破坏消光现象，再将P 2旋转3600，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α，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α2⾓。

3．改变1/2波⽚的快（或慢）轴与激光振动⽅向之间夹⾓θ的数值，使其分别为150、300、450、600、750、900

，旋转P 2到消光位置，记录相应的⾓度θp2。表1?3 1/2波⽚数据记录表 P 1=___360___， P 2=__1260______， 1/2波⽚C 2=_950____

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α，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α2⾓。（五）通过测布儒斯特⾓求材料的相对折射率

由公式i=i 1- i o 和tgi=n 2/n 1，求材料的相对折射率和相对误差。03215.560.566.570.56=++=++=i i i i玻璃材料折射律：

2156.5 1.51n tgi tgi tg n =?===o相对误差：%5.3%10045845.145845.1-51.1%100-E 2=?==标标测n n n 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α=π/4时则为圆偏振光；α=0或π/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α，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2α。 4．验证马吕斯定律：结果分析：由2cos θ—I θ可知道2cos θ与I θ成线性关系，满⾜马吕斯定律θθ20cos I I =。

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：