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偏振光的研究实验数据 偏振光 的 研 究 班级：物理实验班21学号：2120909006姓名：黄忠政 光的偏振现象是波动光学的一种重要现象，它的发现证实了光是横波，即光的振动垂直于它的传播方向。光的偏振性质在光学计量、光弹技术、薄膜技术等领域有着重要的应用。 一实验目的： 1.了解产生和检验偏振光的原理和方法； 2.了解各种偏振片和波片的作用。 二实验装置； 计算机，格兰陵镜，1/2、1/4波片，调节支架，光电接系统，激光器。 三实验原理： 1.偏振光的概念和基本规律 （1）偏振光的种类 光波是一种电磁波，根据电磁学理论，光波的矢量E、磁矢量H和光的传播方向三者相互垂直，所以光是横波。通常人们用电矢量E代表光的振动方向，而电矢量E和光的传播方向所构成的平面称为光波的振动面。 普通光源发出的光是由大量原子或分子的自发辐射所产生的，它们所发射的光的电矢量在各个方向振动的几率相同，称为自然光。电矢量的振动方向始终沿某一确定方向的光，称为线偏振光或平面偏振光。若电矢量在各个方向都振动，但在某个固定方向占绝对优势，这种光称为部分偏振光，电矢量的末端在垂直于光传播方向的任一平面内做椭圆（或圆）运动的光，称为椭圆（或圆）偏振光。各种偏振光的电矢量E如图1所示，注意光的传播方向垂直于纸面。 （2）偏振光、波片和偏振光的产生 通常的光源都是自然光，研究光的偏振性质，必须采用一些物理方法将自然光变成偏振光，这一转变过程称为起偏，获得线偏振光的器件称为起偏器。线偏振光可用人造偏振片获得，如：某些有机化合物晶体具有二向色性，用这些材料制成的偏振片，能吸收某一方向振动的光，与此方向垂直振动的光则能通过，从 而产生线偏振光；还可以利用光的反射和折射起偏的平行玻璃片堆；利用晶体的双折射特性起偏的尼科尔棱镜等。 椭圆偏振光、圆偏振光可用波片来产生，将双折射晶体割成光轴与表面平行的晶片，就制成波片了。当波长为线偏振光垂直入射到厚度为d波片时，线偏振光在此波片中分成o光和e光， 二者的电矢量E分别垂直于和平行于光轴，它们的传播方向相同，但在波片中的传播速度v0、ve却不同。如图2所示。因此折射率n0=c/v0、ne=c/ve是不同的，于是，通过波片后，o光和e光的相位差和光程差分别为=2（n0-ne）/,=(n0-ne)d能产生光程差为/2的波片称为/2波片（或半波片），能产生光程差为/4的波片称为/4波片。 从波片透射出来的o光和e光将会复合在一起，并呈现不同的偏振状态。线偏振光通过全波片后，透射光仍是线偏振光；线 偏振光以角通过/2波片后，仍是线偏振光，但偏振面转过2角（为入射光振动面与波片光轴的夹角）；线偏振光以角通过/4波片后，透射光一般为椭圆偏振光；但当=0或/2时，透射光仍是线偏振光；当=/4时，透射光为圆偏振光。 （3）偏振光的检验 鉴别偏振光的偏振状态的过程称为检偏，检偏装置称为检偏 器。实际上检偏器和起偏器是通用的，例如，把偏振片用于起偏就是起偏器，用于检偏就是检偏器。 线偏振光通过检偏器后，透射光的光强遵守马吕斯定律。设强度为I0的线偏振光垂直入射到一个理想的偏振片（检偏器）上，如图3所示，则透射光的光强为（不计光吸收） I=I0cos2 式中为线偏振光的振动方向与偏振片偏振化方向之间的夹角。显然转到检偏器时，透射光的强度I将发生周期性变化。当 偏振光实验报告 实验1.验证马吕斯定律 实验原理：某些双折射晶体对于光振动垂直于光轴的线偏振光有强烈吸收，而对于光振动平行于光轴的线偏振光吸收很少(吸收o光，通过e光)，这种对线偏振光的强烈的选择吸收性质，叫做二向色性。具有二向色性的晶体叫做偏振片。偏振片可作为起偏器。自然光通过偏振片后，变为振动面平行于偏振片光轴(透振方向)，强度为自然光一半的线偏振光。如图P1、图2所示： P1P2图1图2 A0图1中靠近光源的偏振片P1为起偏器，设经过P1后线偏振光振幅为A0（图2所示），光强为I0。P2与P1夹角为?,因此经P2后的线偏振光振幅为A?A0cos?， 2光强为I?A0cos2?I0cos2?,此式为马吕斯定律。 实验数据及图形： 从图形中可以看出符合余弦定理，数据正确。 实验2.半波片，1/4波片作用 实验原理：偏振光垂直通过波片以后，按其振动方向（或振动面）分解为寻常光（o光）和非常光（e光）。它们具有相同的振动频率和固定的相位差（同波晶片的厚度成正比），若将它们投影到同一方向，就能满足相干条件，实现偏振光的干涉。 分振动面的干涉装置如图3所示，M和N是两个偏振片，C是波片，单色自然光通过M变成线偏振光，线偏振光在波片C中分解为o光和e光，最后投影在N上，形成干涉。 偏振片波片偏振片 图3分振动面干涉装置 考虑特殊情况，当MN时，即两个偏振片的透振方向垂直时，出射光强为：I0(sin22?)(1?cos?)；当MN时，即两个偏振片的透振方向平行时，出射4 I0(1?2sin2?cos2?2sin2?cos2?cos?)。其中为波片光轴与M2I?光强为：I/? 透振方向的夹角，为o光和e光的总相位差（同波晶片的厚度成正比）。改变、中的任何一个都可以改变屏幕上的光强。 当=（2k+1）（1/2波片）时，cos=-1，I? 强最大，I/?02sin22?，出射光I0(1?sin2?)2，出射光强最小；当=（2k+1）/2（1/4 波片）时，cos=0，I?I0I(sin22?),I/?0(2?sin22?)。44 特别地，利用1/4波片我们还可以得到圆偏振光和椭圆偏振光。当=45度时，得到圆偏振光，此时让偏振片N旋转一周，屏幕上光强不变。一般情况下，得到的是椭圆偏振光，让偏振片N旋转一周，屏幕上的光斑“两明两暗”。 实验结果： 半波片实验数据表： 1/4波片实验数据： 结论：线偏振光通过1/4波片后可能变成圆偏振光，椭圆偏振光也有可能仍是线偏振光。 实验3.旋光效应 实验原理：线偏振光通过某些物质的溶液后，偏振光的振动面将旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象。旋转的角度称为该物质的旋光度。通常用旋光仪来测量物质的旋光度。溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的旋光能力、溶液的性质、溶液浓度、样品管长度、温度及光的波长等有关。当其它条件均固定时，旋光度与溶液浓度C呈线性关系即 ?C(5-1) 比例常数与物质旋光能力、溶剂性质、样品管长度、温度及光的波长等有关，C为溶液的浓度。物质的旋光能力用比旋光度即旋光率来度量，旋光率用下式表示：?t? l?C(5-2) (5-2)式中，右上角的t表示实验时温度(单位：)，是指旋光仪采用的单色光源的波长(单位：nm)，为测得的旋光度(0)，l为样品管的长度(单位：dm)，C为溶液浓度(单位：g/100mL)。 由(5-2)式可知： 偏振光的振动面是随着光在旋光物质中向前进行而逐渐旋转的，因而振动面转过角度透过的长度l成正比。振动面转过的角度不仅与透过的长度l成正比，而且还与溶液浓度C成正比14。 如果已知待测溶液浓度C和液柱长度l，只要测出旋光度就可以计算出旋光率。如果已知液柱长度为l固定值，可依次改变溶液的浓度C，就 可以测得相应旋光度。并作旋光度与浓度的关系直线C，从直线斜率、液桩长度l及溶液浓度C，可计算出该物质的旋光率；同样，也可以测量旋光性溶液的旋光度，确定溶液的浓度C。旋光性物质还有右旋和左旋之分。当面对光射来方向观察，如果振动面按顺时针方向旋转，则称右旋物质；如果振动面向逆时针方向旋转，称左旋物质。 测量葡萄糖水溶液的浓度 将已经配置好的装有不同的容积克浓度(单位：g/100mL)的葡萄糖。水溶液的样品管放到样品架上，测出不同浓度C下旋光度值。并同时记录测量环境温度和记录激光波长 葡萄糖水溶液的浓度配制成C0、C0/2、C0/4、C0/8，0(纯水，浓度为零)， 共5种试样，浓度C0取30%左右为宜。分别将不用浓度溶液注入相同长度的样品试管中。测量不同浓度样品的旋光度(多次测量取平均)。用最小二乘法对旋光度、溶液浓度进行直线拟合(可以将C0作为1个单位考虑)，计 算出葡萄糖的旋光率。也可以以溶液浓度为横坐标，旋光度为纵坐标，绘出葡萄糖溶液的旋光直线，由此直线斜率代入公式(5-2)，求得葡萄糖的旋光率?t 6500。 数据记录及处理 图形： 实验4.光弹效应 光弹性试验是应用光学方法研究受力构件中应力分布情况的试验，在光测弹性仪上进行，先用具有双折射性能的透明材料制成和实际构件形状相似的模型，受力后，以偏振光透过模型，由于应力的存在，产生光的暂时双折射现象，再透过分析镜后产生光的干涉，在屏幕上显示出具有明暗条纹的映象，根据它即可推算出构件内的应力分布情况，所以这种方法对形状复杂的构件尤为适用。 光弹性实验方法是一种光学的应力测量方法，因为测量是全域性的，所以具有直观性强，能有效而准确地确定受力模型各点的主应力差和主应力方向，并能计算出各点的主应力数值。尤其对构件应力集中系数的确定，光弹性试验法显得特别方便和有效。工程实际中有很多构件，例如工业中的各种机器零件，它们的形状很不规则，载荷情况也很复杂，对这些构件的应力进行理论分析有时非常困难，往往需要实验的方法来解决，光弹性试验就是其中比较直观有效的一种解决方法。 实验原理 光弹性试验是应用光学方法研究受力构件中应力分布情况的试验，在光测弹性仪上进行，先用具有双折射性能的透明材料制成和实际构件形状相似的模型，受力后，以偏振光透过模型，由于应力的存在，产生光的暂时双折射现象，再透过分析镜后产生光的干涉，在屏幕上显示出具有明暗条纹的映象，根据它即可推算出构件内的应力分布情况，所以这种方法对形状复杂的构件尤为适用。 图1光弹性试验的光学效应示意图 如图1所示，自然光通过偏振器成为平面偏振光（在A1平面中），平面偏振光垂直地射在模型上某一O点，如果模型未受力，则光线通过后并无改变，但如果O点有应力，这时将出现暂时双折射现象，如果图O点的二个主应力?1和?2方向已知，则平面偏振光通过受力模型O点后，分解成二个与?1及?2方向一致的平面偏振光，二者之间产生一光程差，光程差与主应力差（?1-?2）及模型厚度t成正比，即： 偏振光的研究最好最完整的实验报告 物理实验报告实验名称：偏振光的研究我的班级：本硕111班我的姓名：龚林吉我的学号：5701111066实验老师：袁吉仁（T035）实验时间：xx年10月23日下午13:00偏振光的研究本硕111班龚林吉5701111066目录偏振光的研 究.2一、实验目 的.2二、实验原 理.22.1光的偏振 性.22.2偏振 片.32.3马吕斯定 律.42.4椭圆偏振光、圆偏振光的产生和四分之一波片的作用.4三、实验仪 器.5四、实验内容与操 作.54.1验证线偏振光（即马吕斯定 律）.54.2验证椭圆偏振光含圆偏振 光.5五、实验数据记录与处 理.65.1验证马拉斯定 律.65.2验证椭圆偏振光（含圆偏振 光）.75.2.1当1/4波片在0 时.7 5.2.2当1/4波片转到30 时.8 5.2.3当1/4波片转到45 时.9六、实验结 论.106.1验证马吕斯定律实验的结果分 析.116.2验证椭圆偏振光（含圆偏振光）实验的结果分 析.11七、实验思考与讨 论. .12八、注意事 项.13九、实验心得与体 会.13十、参考资 料.13十一、附 录.131偏振光的研究本硕111班龚林吉5701111066偏振光的研究一、实验目的1、观察光的偏振现象，加深对光波传播规律的理解。2、掌握产生和检验偏振光的条件和方法。3、验证马吕斯定律。4、用1/4波片产生椭圆偏振光和圆偏振光，并验证椭圆偏振光。5、学会用计算机软件画数据分析图。二、实验原理2.1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。光波是波长较短的电磁波，电磁波是横波，光波中的电矢量与波的传播方向垂直。光的偏振观象清楚地显示了光的横波性。光大体上有五种偏振态，即线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、自然光和部分偏振光。而线偏振光和圆偏振光又可看作椭圆偏振光的特例。2.1.1自然光光是由光源中大量原子或分子发出的。普通光源中各个原子发出的光的波列不仅初相彼此不 相关，而且光振动方向也是彼此不相关的，呈随机分布。在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向振动的光矢量都有。平均说来，光矢量具有轴对称而且均匀的分布，各方向光振动的振幅相同，各个振动之间没有固定的相联系，这种光称为自然光或非偏振光（如右图所示）。我们设想把每个波列的光矢量都沿任意取定的x轴和y轴分解，由于各波列的光矢量的相和振动方向都是无规则分布的，将所有波列光矢量的x分量和y分量分别叠加起来，得到的总光矢量的分量Ex和Ey之间没有固定的相关系，因而它们之间是不相干的。同时Ex和Ey的振幅是相等的，即AxAy。这样，我们可以把自然光分解为两束等幅的、振动方向互相垂直的、不相干的线偏振光。这就是自然光的线偏振表示，如下图（a）所示。分解的两束线偏振光具有相等