偏振光的观察与研究

实验报告

PB09214023葛志浩 PB09214047卢焘 2011-11-22 得分：

实验题目：偏振光的观察与研究

实验目的:1．观察光的偏振现象，加深偏振的基本概念。

2．了解偏振光的分类以及产生和检验方法，掌握马吕斯定律。 3．观测布儒斯特角及测定玻璃折射率。 4．观测椭圆偏振光和圆偏振光。

实验仪器：激光器，起偏器，检偏器，硅光电池，1/4波片，光电流放大器，分束板。

实验原理：

一，偏振光的基本概念和分类

光的偏振是指光的振动方向不变，或光矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆的现象。光有五种偏振态：自然光（非偏振光），线偏振光，部分偏振光，圆偏振光，椭圆偏振光

二，产生偏振光的方法：

1，利用光在界面反射和透射时光的偏振现象。

反射光中的垂直于入射面的光振动（称s 分量）多于平行于入射面的光振动（称p 分量）；而透射光则正好相反。在改变入射角的时候，出现了一个特殊的现象，即入射角为一特定值（称为布雷斯特角）时，反射光成为完全线偏振光（s 分量）。折射光为部分偏振光，而且此时的反射光线和折射光线垂直，这种现象称之为布儒斯特定律。该方法是可以获得线偏振光的方法之一。通过测量介质的布雷斯特角可以得到介质的折射率。

1

2

n n tg =α ）1（

2，利用光学棱镜，如尼科尔棱镜，格兰棱镜等。

3，利用偏振片。

三，改变光的偏振态的元件——波晶片。

平面偏振光垂直入射晶片，如果光轴平行于晶片表面，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。

线偏振光垂直入射1/4波片，其振动方向与波片光轴成角θ，则出射光的偏振态与θ的关系如下： 1，2

0π

θ或=时，出射光为线偏振光；

2，4

π

θ=

时，出射光为圆偏振光；

3，θ为其它值时，出射光为椭圆偏振光。

利用偏振片可以由自然光得到线偏振光，利用1/4波

片可以由线偏振光得到圆偏振光和椭圆偏振光。

四，马吕斯定律：θ20cos I I = （2）

实验内容及步骤：

一，调节仪器和观察消光现象。

如图（一）所示放置好实验仪器，旋转P2，观察出射光强的变化。

二，验证马吕斯定律。

如图（二）所示放置好实验仪器，将P1度盘读数调为0，旋转P2，记录P2度盘读数θ和D1，D2光电流读数21I I ，。

三，根据布雷斯特定律测定介质的折射率。

如图（三）所示放置好实验仪器，调节P1使D2读数最小，再调节样品角度α使D2最小。

四，产生和检验圆偏振光和椭圆偏振光。

如图（四）所示放置好实验仪器，使P1和1/4波片光轴夹角θ分别为2

3460π

πππ，，，，，

旋转P2，观察D 读数变化。判断1/4波片后出射光的偏振态。

实验记录及数据处理： 一，观察消光现象。

当P1，P2光轴方向夹角为0时，出射光强最大，当夹角由0变化至2

π

时，光强逐渐减小，在夹角达到

2

π

时出现消光现象。

二，验证马吕斯定律。

θ，21I I ，测量值以及相应的θ2

cos 和

1

2

I I 的计算值如下表所示 θ

0 12

π 6

π 4

π 3

π 12

5π 2

π θ2cos 1.000 0.933 0.750 0.500 0.250 0.067 0.000 1I （uA ） 16.0 16.0 16.0 16.0 16.0 16.0 16.0 2I （uA ）

16.8 16.0 12.3 8.2 4.5 1.3 0.1 1

2

I I

1.050

1.000

0.769

0.512

0.281

0.081

0.006

利用Origin 做出

θ21

2

cos -I I 曲线如下图所示：

由上图可知在误差允许的范围内

1

2I I 与θ2

cos 成正比，即验证了马吕斯定律。

三，根据布雷斯特定律测定介质的折射率。 57.5

55.9 56.0 56.8 56.1 56.0

984.04.566

0.561.568.560.569.555.57==+++++=

α

5

4.56-1.564.56-8.564.56-0.564.56-9.554.56-

5.572

2222）（）（）（）（）（ ++++=

σ

6.04.56-0.562

=）

（

24.066.06===σ

A u

020.06

05.0C ==∆=仪B u

取置信概率P=0.95， 则

010.06.0)020.096.1()24.057.2()()(2222==⨯+⨯=+= B p A p u k u t U α

故 010.0984.0±=α 95.0=p 玻璃折射率αtg n = 故有 505.1984.0tg tg n ===α，

对αtg n =两边取微分， 得 αα

2cos dn d =

，

写成不确定度符号， 得 03.0984

.0cos 010

.0cos U 2

2n ===ααU 。 从而 03.051.1n ±= 95.0=p

四，产生和检验圆偏振光和椭圆偏振光。

θ取不同值时，转动P2，出射光强变化现象及相应的1/4波片后出射光的偏振态如下表所示：

θ 0 6π 4π 3π 2

π

出射光强变化情况 光强变化且消光 光强变化不消光 光强不变 光强变化不消光 光强变化且

消光 1/4波片后出射光偏振态 线偏振光 椭圆偏振光 圆偏振光 椭圆偏振光 线偏振光

实验总结： 本次实验的误差主要是由仪器的精度误差和估读误差造成的，在误差允许的范围内，并不影响对马吕斯定律的验证以及对偏振光各种性质的观察和研究。通过这次实验，我们加深了对偏振光的各种概念，性质的理解，掌握了利用布雷斯特定律测量介质折射率的方法。此外，通过这次实验，我们熟悉了自主设计一个实验的方法和流程，提高了我们的自主创新能力和实验的技巧。本次实验最大的遗憾就是我们原计划是在设计完实验步骤后，先用仿真实验做一遍检验方案是否可行，然后再用真实实验再做一遍，以便二者互补。只可惜由于实验室仪器不够，真实实验无法进行。虽然仿真实验对于观察实验现象，检验物理性质，验证实验定律这些目的都能达到但是毕竟不是真正动手做实验，对于真实实验操作过程中的一些困难，技巧我们无法完全掌握，不利于我们动手能力的提高，因此，今后如果有机会的话我们希望能做一遍偏振光的观察和研究的真实实验。

实验后的一些思考：

1，如何辨别自然光和圆偏振光？