1、偏振光分析偏振光分析光学实验光学实验1实验目的实验目的1 1、观察光的偏振现象、观察光的偏振现象, , 加深对理论知识的理解。加深对理论知识的理解。2 2、了解产生和检验偏振光的原理和方法及使用的元件。、了解产生和检验偏振光的原理和方法及使用的元件。实验仪器实验仪器氦氖激光器氦氖激光器 偏振片偏振片(2(2片片) 1/4) 1/4波片波片 波片波片 激光功激光功率指示仪率指示仪 支架若干支架若干 2实验原理实验原理光的波动的形式在空间传播属于电磁波，它光的波动的形式在空间传播属于电磁波，它的电矢量的电矢量 E E 与磁矢量与磁矢量 H H 相互垂直。相互垂直。E E 和和 H H 均垂直于光的
2、传播方向，故光波是横波。实验均垂直于光的传播方向，故光波是横波。实验证明光效应主要由电场引起，所以电矢量证明光效应主要由电场引起，所以电矢量 E E 的方向定为光的振动方向。的方向定为光的振动方向。3（2 2）部分偏振光）部分偏振光在某一方向振动占优势的光在某一方向振动占优势的光称为称为部分偏振光部分偏振光.（1） 自然光自然光振动在垂直于光的传播方向振动在垂直于光的传播方向的平面内可取所有可能的方的平面内可取所有可能的方向，而且没有一个方向占优向，而且没有一个方向占优势的光称为势的光称为自然光自然光。自然光的表示法自然光的表示法部分偏振光的表示法部分偏振光的表示法一、几种光一、几种光4（3
3、3）线偏振光或平面偏振光）线偏振光或平面偏振光只在某一固定方向振动的光称为只在某一固定方向振动的光称为线偏振光或平面偏振光线偏振光或平面偏振光。E传播方向传播方向线偏振光的表示方法线偏振光的表示方法5光波电矢量随时间作有规则的改变，且电矢量末端在垂直于光波电矢量随时间作有规则的改变，且电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈圆形或椭圆形传播方向的平面上的轨迹呈圆形或椭圆形的光为的光为圆或圆或椭圆偏椭圆偏振光振光. .它们都可以看作是两个振动面相互垂直的、有一定相它们都可以看作是两个振动面相互垂直的、有一定相位差的线偏振光的叠加。位差的线偏振光的叠加。 (4(4）圆偏振光和椭圆偏振光）圆偏振光
4、和椭圆偏振光6二、线偏振光的产生二、线偏振光的产生712tgnnibbi1n2nbi0r2rib由折射定律由折射定律12sinsinnnrib和布儒斯特定律和布儒斯特定律反射光就变为振动方向垂直反射光就变为振动方向垂直于入射面的完全偏振光。而于入射面的完全偏振光。而折射光仍为部分偏振光。折射光仍为部分偏振光。称为布儒斯特角称为布儒斯特角bi布儒斯特定律布儒斯特定律12tgnnib可以证明：当入射角等于可以证明：当入射角等于i ib b时，反射光和折射光相互时，反射光和折射光相互垂直。即：垂直。即：8 利用玻璃片堆可产生较强的反射偏振光。利用玻璃片堆可产生较强的反射偏振光。0rbibi 理论实验
5、表明：反射所获得的线偏光仅占入射自理论实验表明：反射所获得的线偏光仅占入射自然光总能量的然光总能量的7.4%，而约占，而约占85%的垂直分量和全部的垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中。平行分量都折射到玻璃中。 为了获得强度较大的线偏振光，可采用玻璃片堆为了获得强度较大的线偏振光，可采用玻璃片堆的办法。一束自然光以起偏角的办法。一束自然光以起偏角56.30入射到入射到20层平板层平板玻璃上，玻璃上， 在玻璃片下表面处的在玻璃片下表面处的反射，其入射反射，其入射33.70也正也正是光从玻璃射向空气的是光从玻璃射向空气的起偏振角，所以反射光起偏振角，所以反射光仍是垂直于入射面振动仍是垂直于入射面振
6、动的偏振光。如图：的偏振光。如图：9起偏起偏示意图：示意图：自然光自然光I0P 偏振化方向偏振化方向 (透光方向透光方向)（2）偏振片产生线偏振光）偏振片产生线偏振光产生偏振光的光学器件称为起偏器。常见的起偏器：偏振片产生偏振光的光学器件称为起偏器。常见的起偏器：偏振片 偏振片偏振片：涂有：涂有二向色性二向色性材料的透明薄片。它材料的透明薄片。它允许透过某一电允许透过某一电矢量振动方向的光（此方矢量振动方向的光（此方向称为向称为偏振化方向或透振方向偏振化方向或透振方向），），而吸收与其垂直振动的光。而吸收与其垂直振动的光。021II 10 检偏检偏:检验偏振光的偏振程度检验偏振光的偏振程度,偏
7、振片也可作为检偏器偏振片也可作为检偏器.检偏器检偏器起偏器起偏器偏振片偏振片自然光自然光111P0I2I2P1I1A2AP P1 1的透振方向的透振方向P P2 2的透的透振方向振方向1P2P1A2A1cosA1sinA三、平面偏振光通过检偏器后光强的变化三、平面偏振光通过检偏器后光强的变化透过检偏器（透过检偏器（P P2 2）的光强为）的光强为I I2 2=I=I1 1coscos2 2马吕斯定律马吕斯定律当当取取02，即当检偏器转动一周时会出现两次，即当检偏器转动一周时会出现两次消光，两次光强极大现象。消光，两次光强极大现象。12波片波片：是从单轴是从单轴双折射晶体双折射晶体上平行于光轴方
8、向切下的薄片上平行于光轴方向切下的薄片四四. 圆偏振光和椭圆偏振光的产生圆偏振光和椭圆偏振光的产生02()ennd若线偏振光垂直入射波片，若线偏振光垂直入射波片， o 光和光和e 光的传播方向相同；且光的传播方向相同；且其振动面与波片的光轴夹角为其振动面与波片的光轴夹角为时，则在波片内入射光就分时，则在波片内入射光就分解为振动方向互为垂直的两束平面偏振光，称为解为振动方向互为垂直的两束平面偏振光，称为o 光和光和e 光光.dnne)(013二、当二、当 时，晶体称为半波片。如果入射时，晶体称为半波片。如果入射线偏振光的振动面与半波片光轴的交角为线偏振光的振动面与半波片光轴的交角为，则，则从波片
9、透射出的光仍为从波片透射出的光仍为平面偏振光，但其振动面相对于入射光的振动面转过平面偏振光，但其振动面相对于入射光的振动面转过2角。角。(21) ,0,1,2,kk,.2 , 1 , 0,2) 12(kk一、当一、当 时，晶体称为时，晶体称为1/41/4波片。波片。141、验证马吕斯定律、验证马吕斯定律使使N N1 1N N2 2正交正交(900)，记录功率计上的示值，将检偏器，记录功率计上的示值，将检偏器N2每转每转10100 0记录记录一次，直至转动一次，直至转动90900 0为止。为止。实验内容与步骤实验内容与步骤152. 2. 线偏振光通过线偏振光通过/2/2波长时的现象：波长时的现象
10、：1.1.使起偏器和检偏器处于正交（即处于消光现象时），插入使起偏器和检偏器处于正交（即处于消光现象时），插入/2/2波长，使消光（波长，使消光（思考：起偏器透振方向与波片光轴方向思考：起偏器透振方向与波片光轴方向的夹角是多少的夹角是多少），再转动检偏器记录检偏器处于），再转动检偏器记录检偏器处于0 0、3030、6060、9090、120120、150150、180180、210210、240240、270270、300300、330330度时激光功度时激光功率计的计数，得出什么规律。率计的计数，得出什么规律。 2.2.使起偏器和检偏器处于正交（即处于消光现象时），插入使起偏器和检偏器处于正
11、交（即处于消光现象时），插入/2/2波长，使消光，再将转波长，使消光，再将转1515度，破坏其消光。转动检偏器度，破坏其消光。转动检偏器至消光位置，并记录检偏器所转动的角度。依次使至消光位置，并记录检偏器所转动的角度。依次使/2/2波长波长总转角为总转角为4545，6060，7575，9090度，转动检偏器至消光位置，并记度，转动检偏器至消光位置，并记录检偏器所转动的角度。录检偏器所转动的角度。 从上面实验数据得出什么规律。从上面实验数据得出什么规律。163. 3. 用用/4/4波长片产生圆偏振光和椭波长片产生圆偏振光和椭圆偏振光圆偏振光 按图使与起偏器和检偏器正交，用按图使与起偏器和检偏器正
12、交，用/4/4波长片代替波长片代替/2/2波波长片，转动长片，转动/4/4波片使消光（波片使消光（思考：起偏器透振方向与波思考：起偏器透振方向与波片光轴的夹角是多少？片光轴的夹角是多少？）。）。171. 再将再将/4/4波片转动波片转动1515度，再转动检偏器记录检度，再转动检偏器记录检偏器处于偏器处于0 0、3030、6060、9090、120120、150150、180180、210210、240240、270270、300300、330330度时激光功率计的计数，度时激光功率计的计数，你认为这时从你认为这时从/4/4波片出来光的偏振状态是怎波片出来光的偏振状态是怎样？样？2. 依将依将/
13、4/4波片转动总角度为波片转动总角度为3030度，度，4545度，度，6060度，度，7575度，度，9090度，每次将转动检偏器记录检偏器处度，每次将转动检偏器记录检偏器处于于0 0、3030、6060、9090、120120、150150、180180、210210、240240、270270、300300、330330度时激光功率计的计数，你认为度时激光功率计的计数，你认为这时从这时从/4/4波片出来光的偏振状态各是怎样？波片出来光的偏振状态各是怎样？18注意事项注意事项1.激光器需预热半小时；2.调节各光学元件的等高共轴；3.实验前，调节激光光线成水平；4.注意偏振片、波片竖直放置,激光正入射且通过元件中心；5.若激光光强太弱，应注意光线干扰引起的测量误差；6. 不可用眼睛直视激光.19实验数据实验数据 1.1.现象记录：自拟记录表格。现象记录：自拟记录表格。 2.2.内容内容1 1数据要求作数据要求作 图图 3.3.内容内容3 3数据要求用坐标纸作数据要求用坐标纸作 极坐标图。也可用计算极坐标图。也可用计算机作直角坐标图。机作直角坐标图。2cosII2021
