偏振光現象的觀察和分析

1、偏振光現象的觀察和分析使其分別通過1/4波片和判斷出出射光的偏振態(tài)。圓偏振光、橢圓偏振光，通摘要本實驗用半導體激光通過偏振片來產生線偏振光， 1/2波片，通過測量不同方向上檢偏器透過的光的強度, 并證實了線偏振光通過1/4波片可以產生線偏振光、 過1/2波片可以產生線偏正光，驗證了馬呂斯定律。、引言振動方向對于傳播方向的不對稱性叫做偏振，它是橫波區(qū)別于其他縱波的一 個最明顯的標志。只有橫波才能產生偏振現象，故光的偏振是光的波動性的又一 例證。在垂直于傳播方向的平面內，包含一切可能方向的橫振動，且平均說來任 一方向上具有相同的振幅，這種橫振動對稱于傳播方向的光稱為自然光 （非偏振 光）。凡其振動

2、失去這種對稱性的光統(tǒng)稱偏振光。偏振光的典型應用是偏光式3D 技術，其普遍用于商業(yè)影院和其它高端應用。二、實驗原理 1.偏振光的種類光是一種電磁波，由于電磁波對物質的作用主要是電場， 故在光學中把電場 強度E稱為光矢量。在垂直于光波傳播方向的平面內，光矢量可能有不同的振 動方向，通常把光矢量保持一定振動方向上的狀態(tài)稱為偏振態(tài)。 如果光在傳播過 程中，若光矢量保持在固定平面上振動， 這種振動狀態(tài)稱為平面振動態(tài)， 此平面 就稱為振動面。圖1電矢量垂直于紙面的偏振光圖2電矢量平行于紙面振光【光的五種偏振態(tài)：線偏振光：在光的傳播過程中，只包含一種振動，其振動方向始終保持 在同一平面內，部分偏振光：光波包

3、含一切可能方向的橫振動，但不同方向上的振幅不 等。自然光：光波包含一切可能方向的橫振動，但不同方向上的振幅相等。橢圓偏振光：在光的傳播過程中，空間每個點的電矢量均以光線為軸作 旋轉運動，若它們的頻率相同并且有固定的位相差，貝夠點的合成振動 的軌跡一般呈橢圓形。圓偏振光：旋轉電矢量端點描出圓軌跡的光稱圓偏振光，是橢圓偏振光 的特殊情形。2.線偏振的產生(1)偏振片利用某些有機化合物的“二向色性” 制成，當自然光透過這種偏振片后，光 矢量垂直于偏振片方向的分量幾乎完全被吸收，而平行方向的分量幾乎完全通 過，因此透射光基本上為線偏振光。偏振片可以作為起偏器，也可以作為檢偏器 檢驗偏振光的偏振方向。(

4、2)雙折射產生偏振自然光入射到雙折射晶體時，產生的尋常光(0光)和非尋常光(e光)都是 線偏振光。3.波晶片即上述能發(fā)生雙折射的晶體，又稱波片。當光垂直入射到波片后，產生的0光和e光在波片中的傳播方向一致而傳播速度不同，因此導致它們產生了光程差二d(叫 佈)，當波長為入時，產生相位差其中d為波片厚度，ne與no是e光與o光的主折射率。對于某種單色光,相位差(2k近的波片為1/4波片；能產生片；能產生2k的波片稱為全波片。-叫）(2 k 1)的波片稱為能產生1/2波1/2波離開波片時合成波的偏振性質，確定于相位差和。線偏振光通過片后出射光和入射光的電矢量對稱于光軸；線偏振光通過1/4波片后可能產

5、生線偏振光、圓偏振光和長軸與光軸垂直或平行的橢圓偏振光。4.偏振光的檢驗表一 檢驗偏振光的類型【2】第一步令入射光通過偏振片1,改變偏振片1的透振方向P1,觀察透光強 度的變化觀察到的現 象有消光強度無變化強度有變化但無消光結論線偏振自然光或圓偏振部分偏振或橢圓偏振第二步a.令入射光一次通過1/4 波片和偏振片2,改變偏 振片2的透振方向R，觀 察透射光的光強度變化b.同a，只是1/4波片的 光軸方向必須與第一步 中偏振片1產生的強度極 大或極小的透振方向重 合觀察到的現 象有消光無消光有消光無消光結論圓偏振自然光橢圓偏振部分偏振5.馬呂斯定律強度為10的線偏振光，透過檢偏片后，透射光的強度（

6、不考慮吸收）為:1=1 o(COS a ) 2其中，a是入射線偏振光的光振動方向和偏振片偏振化方向之間的夾角。三、實驗裝置及過程 實驗裝置:發(fā)出波長為635nm的紅光的半導體激光器；2個偏振片，直徑2cm,分別 用作起偏器與檢偏器；2個1/4波片，直徑2cm； 1個1/2波片，直徑1cm ;數 字式光功率計。實驗過程: 1.光路調節(jié)將一個偏振片A1靠近激光器作為起偏器，一個偏振片A,靠近功率計作為檢偏 轉動A圈，發(fā)現其最大值不超過量程02mw并調節(jié)A達到消光狀態(tài)，記下此 時其讀數。2.驗證馬呂斯定律以達到消光狀態(tài)時的A2的位置為零點，轉動A每隔4記下一次功率計的讀 數。3. 1/4波片的作用將

7、A調整到消光位置后放入1/4波片q，調整至消光。旋轉1/4波片q， 當q分別為 15、30、45、60、75、90 時，將 A2旋轉 360,觀察 光電流的變化情況和極值的出現情況。細測：選取30作詳細測量，每隔10記下對應的光功率。4.利用1/4波片組成1/2波片將兩個1/4波片放在一起，調節(jié)至產生消光現象，將兩波片轉動一定的角度 B破壞消光現象，調節(jié) A再次達到消光狀態(tài)，如果其角度符合 固即形成1/2波 片。5. 1/2波片的作用 先不放1/2波片，轉A調至消光，放1/2波片，改變1/2波片與激光振動方向 夾角的數值，當其分別為15、30、45、60、75、90時，轉 A到達 消光位置，記

8、錄轉動角度。四、實驗結果及分析 1.驗證馬呂斯定律圖1功率計示數I與cos 2 a作線性擬合其中 1=(1.881 0.02)cos2 a +(0.0 02 0.0 01)，即光強正比于 cos2a2. 1/4波片的作用(1)粗測表2粗測1/4波片轉過夾角0后得到的偏振光性質偏振片逐漸旋轉360現象1/4玻片轉角/ 極大值/mW0 1/ 極小值/mW0 2/ 偏振性質151.5151160.098198橢圓偏振光1.5202840.10220301.3471580.23968橢圓偏振光1.3503480.239248451.085100.578102最接近圓偏振光的橢圓偏振光1.1121960

9、.581278601.353540.245324橢圓偏振光1.3562380.243134751.5102530.113344橢圓偏振光圖20 =30光強詳細測量（1/4波片）1.513640.112162901.6322690.000180線偏振光1.628900.0000分析：在實驗中觀察到橢圓偏振光和線偏振光,極大值和極小值均出現兩次。由1/4玻片的定義可知，線偏振光垂直入射到玻片上后，可將光沿快軸慢軸方向分解。當線偏振光與光軸夾角為0或90時，光只有在0光或e光方向有分量,為90時，實因此透過去后仍然合成為線偏振光，振動方向不變。實驗中當驗現象與理論吻合，亦即在偏振光方向光強最大，與偏

10、振光垂直方向出現消光。當線偏振光與光軸夾角為45時，沿0光和e光方向的電矢量幅度相同,可知光分解為Ee AC0S t , EAs in t，因此理論上合成的光為圓偏振光,電矢量波面內以勻角速度旋轉。在實驗中，觀察到極大值與極小值的差最小時為45，但此時仍然為橢圓偏振光。實驗中不為圓偏振光原因可能為:.光學元件沒有和光軸完全垂直，引發(fā)角度誤差。.波片對于0光和e光的吸收程度不完全相同。.儀器本身原因，包括激光器的波動導致數值讀取誤差以及光功率計的最小讀 數限制。.玻片并非完全均勻而且并非與激光的波長完全吻合。當線偏振光與光軸夾角為其他角度時，沿0光和e光的電矢量幅度不同,可將光分解為EeAiC0

11、S t , Eo A2Sin t，因此合成的光為橢圓偏振光，實驗 與理論吻合。(2)選取30細測，得到如下圖由上圖可以看出，該極坐標函數圖象成“雙橢圓餅”形，在檢偏器所轉的0-360度之間，共達到兩次消光，兩次最大值，這正是橢圓偏振光的長軸和短軸的位置。本次細測以10。為測量步長，極值點的位置會有幾度至十幾度的浮動,不過對圖像總體的“雙橢圓餅”形狀沒有太大的影響。3.用兩個1/4波片組合成1/2波片根據1/2玻片定義，垂直入射的線偏振光分解為0光和e光，透過1/2玻片 后，兩光的相位差增加，以及等效為某個光矢量反向，而某個光矢量方向不變，C2從而合成光的光矢量與入射光的光矢量關于光軸對稱，也就

12、是旋轉了均轉動10度，功率計沒有出現明顯數值變化。再按步驟操作后，將次旋轉10度，功率計仍不發(fā)生變化，可判斷此時兩個波片的光軸垂直。再次調節(jié)至消光后，將C2均轉動10度，此時功率計示數發(fā)生了明顯變化，隨后將片。轉動20度左右后，重新出現消光現象?？烧J為調節(jié)出1/2波4.1/2波片的作用圖3 0與0的線性擬合其中K=2.017 0.017 R =0.99961，可知擬合情況較好1.五、實驗結論當線偏振光透過檢偏器時，若檢偏器的透振方向與出射光振動方向夾角為a,則出射光強1=1.881 cos2a +0.0 02,基本正比于COS 2 a，即馬呂斯定律;2.1/4波片讓線偏振光正交分解，當入射角石時形成線偏