偏振光实验报告

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 ，

则透过检偏器的线偏振光的振幅为A，A= ɑ，强度 I= ，I= ɑ= Ｉ ɑ= ɑ 式中 为进入检偏器前（检偏器无吸收时）线偏振光的强度。

这就是１８０９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Ｉ将发生周期变化。

若入射光是部分偏振光或椭圆偏振光，则极小值部位０。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2ɑ（ɑ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ɑ相关：

ɑ= 0时：出射光为振动方向平行1/4波片光轴的平面偏振光。 ɑ= 时：出射光为振动方向垂直1/4波片光轴的平面偏振光。 ɑ= 时：出射光为圆偏振光。 ɑ为其他值时，出射光为椭圆偏振光。

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

偏振片角度 角度余弦值 光电流强度 偏振片角度 角度余弦值 光电流强度 偏振片角度 角度余弦值 光电流强度

90 84 78 72 66 60 54 48 42 36 0 0.011 0.043 0.095 0.165 0.250 0.345 0.448 0.552 0.655 0 0 7 15 27 40 54 69 84 98 30 24 18 12 6 0 -6 -12 -18 -24 0.750 0.835 0.905 0.957 0.989 1 0.989 0.957 0.905 0.835 111 122 130 135 137 139 139 138 132 123 -30 -36 -42 -48 -54 -60 -66 -72 -78 -84 0.750 0.655 0.552 0.448 0.345 0.250 0.165 0.095 0.043 0.011 110 98 83 68 54 39 26 15 7 0 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

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 检偏器A转过角度

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。

初始 10 0 20 20 21 30 20 40 20 50 20 60 20 70 20 80 19 90 20 3．用1/4 波片产生圆偏振光和椭圆偏振光。 波片转20度时

检偏器角度 光电流强度 检偏器角度 光电流强度 检偏器角度 光电流强度 检偏器角度 光电流强度

下面通过作图，来观察二者的关系

0 27 90 68 10 36 100 60 20 46 110 50 200 45 290 50 30 56 120 40 210 55 300 40 40 65 130 31 220 64 310 31 50 72 140 24 230 71 320 24 60 76 150 20 240 76 330 20 70 77 160 19 250 77 340 19 80 74 170 21 260 74 350 21 180 190 27 35 270 280 68 60

波片转45度时

检偏器角度 光电流强度 检偏器角度 光电流强度 检偏器角度 光电流强度 检偏器角度 光电流强度

0 46 90 49 190 46 280 49 10 41 100 53 200 41 290 53 20 38 110 57 210 38 300 57 30 35 120 59 220 35 310 59 40 34 130 61 230 34 320 61 50 34 140 60 240 34 330 61 60 36 150 58 250 36 340 59 70 40 160 55 260 40 350 55 80 44 170 51 270 44 360 51

此图像与圆偏振光比较可知，1/4波片转角为 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。