偏振光试验报告

学生姓名：

学 号：

实验地点： 实验时间：

指导教师：

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 与反射物质的折射率 n 的关系是：

tan n

（ 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。

2．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。

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

2 （n0 ne ）d

0

式中

（2）

0表示单色光在真空中的波长， no和ne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

12

（2k 1） ，k=0，1， 2，⋯，这样的晶片称

为 1/4 波片，其最小厚度为 dmin

。线偏振光通过 1/4 波片后，透射光一般是椭 4（no ne）

0

圆偏振光； 当α=π/4 时，则为圆偏振光； 当 0 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

波片， 其最小厚度为 dmin

0

（2k 1） ， k=0， 1，2，⋯，这样的晶片称为半

。如果入射线偏振光的振动面与半波片光轴的交角为 2（no ne）

，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 2 角。

3． 如果晶片的厚度使产生的相差

其最小厚度为 dmin

0

2k ，k=1，2，3，⋯，这样的晶片称为全波片，

。从该波片透射的光为线偏振光。 no ne

（三）线偏振光通过检偏器后光强的变化

强度为 I 0 的线偏振光通过检偏器后的光强 I 为

2

（3）

式中， 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，

I I0 cos

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 者的取向使系统射出的光量极小时，称它们为正交（此时

= 0 0）。当二

= 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。

tg n2 /n1

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。

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 =0° 或 180°，保持 P1 不动，旋转 P2，每隔 10°记录一次对应的光强值 I ，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， I 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

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

i 1，记录到表 1- 4。重复 3 次，取 i 1 平均值。

4．i il i0 ，i 为所测得布儒斯特角。由此公式求出相对折射率：

tg i =n2/ n1

n2=n1· tg i

式中 n2为要求的相对折射率， n1为空气的折射率，值为 1。（ n1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， 360 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， 360 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。

0

0

二）验证马吕斯定律 P1 和 P2 之间的夹角 P

1

=302， P 2=345

00

θ 光电流 I θ 0° 10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90° 797 780 743 693 630 534 413 240 83 8 100° 110° 120° 130° 140° 150° 160° 170° 180° P1 和 P2之间的夹角 θ 光电流 I θ

30 130 310 470 574 667 731 768 785 计算 cos

2值

P1 和 P2 之间的夹角 θ 光电流 I θ 0° 10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90° 797 780 743 693 630 534 413 240 83 8 cos

2 cos 2

2

绘制出 I — 和 I —cos 曲线图，并分析曲线的含义。

光电流 I 和 P1 和 P2之间的夹角 θ的关系图

从图中可以看出光电流 I 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I θ弦函数关系。

cos

2

由 cos — I 可知道

与 I 成线性关系。

三） 1/4 波片的作用

2

P1 0

C1由消光位置分别再转过 P2o

P2 92.5

o 0o o15o

4

波片 C1 90

o oo

o o30 45 o60 75 oo90 旋转I 360 光强几次极大 , θo各2次 各2次 各 2 次 0次 各 2 次 各2次 各 2 次 几次极小 各次之间光强变化明显程度 很明显 线偏振 较明显 不明显 椭圆 椭圆 无变化 圆偏振 不明显 椭圆 较明显 椭圆 很明显 线偏振 C1透出光的偏振性质 总结 1/4 波片的作用：

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 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 ，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 2 角。

0

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 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 ，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 2 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 P2 到消光位置，记录相应的角度θ p2。

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 ，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 2 角。

五）通过测布儒斯特角求材料的相对折射率 测量次数 1 2 3 io i1 i= i 1- i o

由公式 i=i

o

和

/n 1，求材料的相对折射率和相对误差。

- i

tgi=n

2

i i1 i2 i 3 56.0 57.6 56.0 56.50

玻璃材料折射律：

n2 n1 tgi tgi tg56.5o

1.51

n

测

-n

标

1.51-1.45845

相对误差：

En

n

100% 100% 3.5%

标

1.45845

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 = /4 时

则为圆偏振光； =0 或 /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 ，

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 2 。 4．验证马吕斯定律：结果分析：由 cos — I 可知道 cos 与 I 成线性关系，满足马吕 斯定律 I I 0 cos 。

2

2

2

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：