实验报告--偏振光学实验

实验报告

姓名：***** 班级：***** 学号：***** 实验成绩：同组姓名：**** 实验日期：***** 指导教师：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１）。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α，透过起偏器的线偏振光振幅为A0，则透过检偏器

的线偏振光的强度为I

式中I0 为进入检偏器前（偏振片无吸收时）线偏振光的强度。

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

当线偏振光垂直射入一块表面平行于光轴的晶片时，若其振动面与晶片的光轴成α角，该线偏振光将分为e 光、o 光两部分，它们的传播方向一致，但振动方向平行于光轴的e 光与振动方向垂直于光轴的o 光在晶体中传播速度不同，因而产生的光程差为

位相差为

式中n e 为e 光的主折射率，n o 为o 光的主折射率（正晶体中，δ＞0，在负晶体中δ＜0）。d 为晶体的厚度，如图4 所示。当光刚刚穿过晶体时，此两光的振动可分别表示如下：

式中

轨迹方程

原理图

全波片1/2 波片1/4 波片

【实验数据记录、实验结果计算】

说明：以下的所有测量数据中，电流的单位为，角度的单位为角度。

作的函数图像：

Origin的数据分析：

Linear Regression through origin for DATA2_B:

Y = B * X

Parameter Value Error

------------------------------------------------------------

A 0 --

B 0.20928 4.62343E-4

------------------------------------------------------------

R SD N P

------------------------------------------------------------

0.999910.00162 31 <0.0001

------------------------------------------------------------

从以上的分析可知，电流大小I关于两偏振片的夹角余弦的平方的数据点的直线拟合的相关系数r=0.99191 ，可知实际测得的数据点与理论值匹配。

说明：最后两个数据没测，是因为在做的时候一时疏忽了，最后想要补做时，时间已晚，老师建议我们不做了。

检偏器的平均角度差度

由上面的数据可以明显地看出，1/2 波片每转10度，检偏器就需要转20度，与理论值吻合。

观察：检偏片固定，将1/2 波片转过360°，能观察到4次消光；1/2 波片固定，将检偏片

转过360°，能观察2次消光。由此分析线偏振光通过1/2 波片后，光的偏振状态是：光的偏振面偏离原来的角度是波片光轴偏离角度的2倍。

3．用1/4 波片产生圆偏振光和椭圆偏振光

作角度与电流的极坐标函数图：I~

在此基础上作振幅与角度的函数图：A~

分析：可以看出，该极坐标函数图象成“双椭圆饼”形，在检偏器所转的0~360度之间，共达到两次消光，两次最大值，这正是椭圆偏振光的长轴和短轴的位置。实验数据图中可以看出，图像少有倾斜，在20度和200度左

右达到真正消光，这是因为初始角度原因。波片转45度

作角度与电流的极坐标函数图：I~

在此基础上作振幅与角度的函数图：A~

分析：从图像中可以看出，函数形状成近乎圆的椭圆，理论上应该是圆，还是非常接近理论值。数据在110度和290度左右但到最小值，在20度和200左右达到最大值，这正是椭圆偏振光的长轴和短轴的位置。误差会在后面误差分析部分讨论。

【对实验结果中的现象或问题进行分析、讨论】

1.在做验证马吕斯定律的实验时，由于第一遍测量时出错，导致实验的重做，

所以在预习报告上有大量修改的痕迹。但是，最后得到的结果非常准确，拟合度极高，也使得多花去的时间很值得。

2.在这里我想重点讨论以下这个实验的一个误差。上面的种种实验皆反映了在

消光点的角度误差，而且这个误差不小。误差现象为：在消光点附近的10度左右的范围内，电流计的示数皆为0，所以无法准确地找出消光点的角度。

所以实验作出的函数图都有一定的倾斜。

在这里提出自己认为可以在一定程度上消除这个误差的方法：缓缓旋转检偏器，记下电流值为0的区间，取这个区间的中点为消光点。

3.误差来源还有旋转的转向误差，这是由于齿轮之间的间隙引起的。误差避免

方法：只朝同一方向旋转。

4.手电筒一类的误差：用手电在照波片或检偏器上的刻度时，会导致进入检测

器的光强增大，导致电流值增大；手在旋转波片或检偏器时容易将入射光挡住，导致进入检测器的光强减小。误差避免方法：每次测量电流时，使手和手电远离测量装置。

5.上面的A~图中的A不是实际的A值，而是A的一个固定的倍数，改图的作用

仅仅是反映偏振光的振幅随着检偏器的角度的相对变化。