偏振光学实验报告
偏振光得产生与检验
一．实验目得 1、 掌握偏振光得产生原理与检验方法,观察线偏振光 2、 验证马吕斯定律，测量布儒斯特角; 二．实验原理 １、光得偏振性
ﻩ光波就是波长较短得电磁波，电磁波就是横波,光波中得电矢量与波得传播方向垂直。光得偏振观象清楚地显示了光得横波性。光大体上有五种偏振态，即线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、自然光与部分偏振光。而线偏振光与圆偏振光又可瞧作椭圆偏振光得特例。
(1）自然光 光就是由光源中大量原子或分子发出得。普通光源中各个原子发出得光得波列不仅初相彼此不相关，而且光振动方向也就是彼此不相关得,呈随机分布。在垂直于光传播方向得平面内，沿各个方向振动得光矢量都有。平均说来，光矢量具有轴对称而且均匀得分布,各方向光振动得振幅相同，各个振动之间没有固定得相联系,这种光称为自然光或非偏振光(见下图）.
我们设想把每个波列得光矢量都沿任意取定得 x 轴与 y 轴分解,由于各波列得光矢量得相与振动方向都就是无规则分布得，将所有波列光矢量得ｘ分量与y 分量分别叠加起来,得到得总光矢量得分量 E x 与 E y 之间没有固定得相关系，因而它们之间就是不相干得.同时 E x 与 E y 得振幅就是相等得,即 A x =A y 。这样，我们可以把自然光分解为两束等幅得、振动方向互相垂直得、不相干得线偏振光。这就就是自然光得线偏振表示,如下图(a）所示。分解得两束线偏振光具有相等得强度 I ｘ ＝Ｉ y ，又因 自然光强度
I=I x ＋Ｉ ｙ
所以每束线偏振光得强度就是自然光强度得 1/2，即
通常用图（b）得图示法表示自然光。图中用短线与点分别表示在纸面内与垂直于纸面得光振动，点与短线交替均匀画出,表示光矢量对称而均匀得分布。
(2）线偏振光
光矢量只沿一个固定得方向振动时,这种光称为线偏振光，又称为平面偏振光。光矢量得方向与光得传播方向所构成得平面称为振动面，如图(ａ）所示。线偏振光得振动面就是固定不动得，图（b）所示就是线偏振光得表示方法，图中短竖线表示光振动在纸面内，点表示光振动垂直于纸面。
(3）部分偏振光 这就是介于线偏振光与自然光之间得一种偏振光,在垂直于这种光得传播方向得平面内，各方向得光振动都有,但它们得振幅不相等,如图(a)所示。这种部分偏振光用数目不等得点与短线表示。在图（b)中，上图表示在纸面内得光振动较强，下图表示垂直纸面得光振动较强.要注意，这种偏振光各方向得光矢量之间也没有固定得相得关系。
E y
E X
（4）圆偏振光与椭圆偏振光
这两种光得特点就是在垂直于光得传播方向得平面内，光矢量按一定频率旋转(左旋或右旋）。如果光矢量端点轨迹就是一个圆,这种光叫圆偏振光(见图（a））。如果光矢量端点轨迹就是一个椭圆，这种光叫椭圆偏振光(见图（b））. 2 2 、
布儒斯特角
为率射折从光当ﻩ n 1 得介质（例如空气）入射到折射率为 n ２ 得介质(例如玻璃）交界面，而入射角又满足
时，反射光即成完全偏振光，其振动面垂直于入射面。
ｉ B 称布儒斯特角，上式即布儒斯特定律。显然, θ Ｂ 角得大小因相关物质折射率大小而异.若 n １ 表示得就是空气折射率，（数值近似等于１）上式可写成
Bθn 2n 1反射光入射光图 3-1 3 3 、 马吕斯定律
如果光源中得任一波列（用振动平面 E 表示)投射在起偏器 P 上（如下图),只有相当于它得成份之一得 E y (平行于光轴方向得矢量）能够通过，另一成份 Ｅ x（＝ E
cos θ ）则被吸收。与此类似,若投射在检偏器 A 上得线偏振光得振幅为 E 0 ,则透过 A 得振幅为 E 0 ｃos θ （这里 θ 就是 P 与 A 偏振化方向之间得夹角)。由于光强与振幅得平方成正比,可知透射光强 I 随 θ 而变化得关系为
这就就是马吕斯定律。
θPxy图 3-2 E
4 4 、 波片 为度厚,轴光于行平面光透一射入直垂光振偏线使若ﻩ d 得晶片，此光因晶片得各向异性而分裂成遵从折射定律得寻常光（o 光）与不遵从折射定律得非常光(e光）。因ｏ光与 e 光 图 3-3线偏振光有一定相位差的o 光和 e 光oeθ 在晶体中这两个相互垂直得振动方向有不同得光速，分别称做快轴与慢轴。设入射光振幅为 A ,振动方向与光轴夹角为 θ ,入射晶面后o光与e光振幅分别为 A sin θ 与 Ａ ｃos θ ，出射后相位差
式中 λ 0 就是光在真空中得波长， n o 与 n ｅ 分别就是 o 光与 e 光得折射率。
这种能使相互垂直振动得平面偏振光产生一定相位差得晶片就叫做波片。
如果以平行于波片光轴方向为 ｘ 坐标，,垂直于光轴方向为 ｙ 坐标出射得 o光与ｅ光可用两个简谐振动方程式表示：
该两式得合振动方程式可写成
一般说来,这就是一个椭圆方程，代表椭圆偏振光。但就是当
( k =1、2、3…）或
（ ｋ ＝0、1、2…) 时，合振动变成振动方向不同得线偏振光。后一种情况，晶片厚度
可使 o 光与ｅ光产生(2 k +１）λ/2 得光程差，这样得晶片称做半波片,而当
(ﻩ k ＝1、２、３…) 时,合振动方程化为正椭圆方程
这时晶片厚度,称做 1／4 波片。它能使线偏振光改变偏振态，变成椭圆偏振光。但就是当入射光振动面与波片光轴夹角 θ ＝45°时,A e ＝Ａ o ，合振动方程可写成
即获得圆偏振光。
5 5 、 偏振光得获得 自然界得大多数光源所发出得就是自然光。为了从自然光得到各种偏振光，需要采用偏振器件。偏振片、玻片堆与尼科耳棱镜等都可以用作起偏器，自然光通过这些起偏器后就变成了线偏振光。偏振片常用具二向色性得晶体制成,这些晶体对不同方向得电磁振动具有选择吸收得性质,当光线射在晶体得表面上时,振动得电矢量与光轴平行时吸收得较少,光可以较多地通过；电矢量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得很少。通常得偏振片就是在拉伸了得塞璐璐基片上蒸镀一层硫酸碘奎宁得晶粒，基片得应力可以使晶粒得光轴定向排列起来,这样可得到面积很大得偏振片。
为了得到椭圆偏振光，使自然光通过一个起偏器与一个波片即可。由起偏器出射偏振光正入射到波片中去时，只要其振动方向不与波片得光轴平行或垂直，就会分解成 0 光与ｅ光,穿过波片时在它们之间就有一定得附加相位差δ.射出波片之后，传播方向相同得这两束光得速度恢复到一样，它们在一起一般就是合成椭圆偏振光。只有当这两面束光之间得相位差等于±π/2,且振幅相同时,才有可能得到圆偏振光。
换言之，令一束线偏振光垂直通过一波片,一般我们得到一束椭圆偏振光；只有通过 1/４波片,且波片得光轴与入射光得振动面成对 45°角时，我们才能得到一束圆偏振光。
三．实验装置； 白光源,凸透镜(f=150mm），二维调节架（SZ-０3）三个,可调狭缝,光学测角台，升降调节架，黑玻璃片，偏振片,X 轴旋转二维架（SＺ-０6），二维平移底座(SZ-02),另需钠灯、氦氖激光器、1/４玻片及转动架与扩束器.
四．实验步骤
1) 测布儒斯特角，定偏振片光轴:按上图所示,使白光源灯丝位于透镜得焦平面上（此时二
底座相距１62mm)，近似平行光束通过狭缝，向光学台分度盘中心得黑玻璃入射,并在台面上显出指向圆心得光迹.此时转动分度盘，对任意入射角，利用偏振片与Ｘ轴旋转二维架组成得偏振器检验反射光，转动 360
，观察部分偏振片得强度变化。而当光束以布儒斯特角ｉB 入射时，反射得线偏振光可被减偏器消除（对 n＝1、51，ｉB=５7 ）.该入射角需要反复仔细校准。因偏振光得振动面垂直于入射面，按减偏器消光方向可以定出偏振片得易透光轴。
2) 线偏振光分析：使纳光通过偏振片起偏振,用装在 X 轴旋转二维架上（对准指标线)得偏振片在转动中捡偏振,分析透过光强变化与角度得关系。
3) 椭圆偏振光得分析：使激光束通过扩束器、狭缝与黑镜产生线偏振光，再通过 1/４玻片之后,用装在 X 轴旋转二维架上得偏振片在旋转中观察透射光强度变化，就是否有两明两暗位置（注意与上一项实验现象有何不同)，暗位置在，检偏器得透振方向即椭圆得短轴方向。
4) 圆偏振光分析：在透振轴正交得二偏振片之间加入 1/4 玻片，旋转至透射光强恢复为零处,从该位置再转动 4５ ，即可产生圆偏振光。此时若用检偏器转动检查，透射光强就是不变得。３）与４)应使用白屏观察。
五．数据处理 1、布儒斯特角:57 . 2、线偏振光强符合 I２=I1ｃos2 θ-—马吕斯定律，当θ为 0 时（平行），透射光最大; 当θ为π/2 时（垂直）,透射光强为零. 3、就是,暗得地方光强不为零。
六．实验感想 做光学实验中体会最深得就就是我们需要耐心细致与严谨,这不仅锻炼了我们实验得素质而且增强了我们做实验得兴趣。指导书上只有大纲,很多地方都需要我们自己去多问几个为什么，所以实验前得预习显得尤其重要，它可以使我们宏观地把握做实验得全程，做到成竹于胸;实验过程中最重要得便就是要做到用心观察及如实得记录,有些时候，实验得具体步骤与参考书中有所不同,这就需要我们用心思考；实验后得数据处理及分析充分体现了我们对该实验得整体把握，应该好好分析，参考相应资料，分析出自己在实验过程中得得失,只有这样才能真正有所收获.这些实验需要两个人共同完成，这两个人便形成了一个小得团队。一个实验需要两人配合才能完成,这充分体现了团队得重要性.两人共同做一个实验,需要分工明确，每人负责一部分,当出现差错时可以及时找出并纠正。只有很好得接受汲取前者给予得帮助与指导，很好得与后者协同合作,才能使实验进行顺利,结果理想.所以光学实验很能培养我们得团队精神，合作意识。