光的偏振研究性报告.doc

光的偏振现象及其研究大学霸（北京邮电大学，北京，北京市海淀区西土城路10号 100088）照片尺寸为20mm*30mm；最好不用红色背景摘 要：本文对光的偏振现象做了进一步的分析，熟悉了常用的起偏振和检偏振的方法，了解不同的偏振光的性质，并测量了三棱镜的布儒斯特角。半导体激光器通过偏振片产生线偏振光，由此验证马吕斯定律；使用偏振片可以产生与1/4波片可以产生和检测线偏振光，圆偏振光，椭圆偏振片；圆偏振光照射三棱镜，找出三棱镜的布儒斯特角，进而求得三棱镜的折射率。研究结果直观地反映了光的偏振现象，基本符合理论描述。关键词：光的偏振；晶体波片；偏振光；马吕斯定律中图分类号：（作者本人填写） 文献标识码：AResearch on the phenomenon of light polarizationDa Xueba(Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing,100088,China) Abstract：Purpose Analyze the phenomena of light polarization during the experiment. Understand the different nature of polarized light. Test and verify the Malus law. Measure the Brewster angle of triangular prism. Method Use Laser the generator as light source. Laser will become different polarized light through the crystal wave plate and the polarizer. Optical power meter will show the changing of the light intensity. When the emitted light becomes linear polarized light，the angle of incidence is just the Brewster angle of triangular prism.Result The Malus law: I=I0cos2; Brewster law: taniB=n2n1Conclusion Different kind of polarized light has different optical characteristics. Keywords: Polarization; crystal wave plate; polarized light; Malus law光的干涉及衍射现象说明了光的波动性质。而光的偏振现象则直观的验证了光波是横波。对于光偏振现象的研究在光学发展史中占有很重要的地位。光的偏振使人们对光的传播（反射、折射、吸收和散射）的规律都有了新的认识。光的偏振在光学计量、晶体性质研究和实验应力分析等技术领域有广泛的应用。一 实验原理1.1 光的偏振性光的电磁理论指出，光是电磁波，光矢量与实验日期：2013-06-01作者简介：xxx（1993-），男，甘肃省兰州市人，本科，光的传播方向垂直。在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量E可能有各种不同的振动状态。一般可分为五种：线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、自然光和部分偏振光。设沿同一方向传播的频率相同，振动方向互相垂直，并具有固定相位差的两个线偏振光分别沿x轴和y轴，其两个振动方程可分别表示为Ex=Axsint （1）Ey=Aysin(t+) （2）合振动方程为Ex2Ax2+Ey2Av2-2ExEyAxAycos=sin2() （3）式（3）说明一般情况下何振东的轨迹在垂直于传播方向的平面内呈椭圆偏振光。当=k(k=0,1,2,)时，式（3）变为Ex=AxAyEy （4）合振动矢量始终在同一方向上做简谐振动，说明合成结果是线偏振光。当=2k+12(k=0,1,2,)时，式（3）变为Ex2Ax2+Ey2Av2 =1 （5）这是椭圆方程，合成结果是椭圆偏振光。若Ax=Ay，则合矢量端点的轨迹是圆，为圆偏振光。同理，线偏振光，椭圆偏振光和圆偏振光都可以分解成两个振动方向相互垂直并且具有相同的传播方向和频率以及对应有确定的相位关系的线偏振光。表1 偏振光类别自然光部分偏振光线偏振光圆偏振光椭圆偏振光E的振动方向和振幅EExEyExExEyE1.2 获得和检验偏振光将自然光变成偏振光的器件叫做起偏器，用来检测偏振光的器件叫做检偏器。两者可以互换1.2.1 偏振片和马吕斯定律二色相晶体具有选择性吸收的性质。当入射光的振动方向与晶体的光轴垂直时，光被吸收而不能透过；当入射光振动方向与晶体光轴平行时，光很少被吸收而能透过晶体。偏振片自然光偏振光图1 偏振片的二向色性若在偏振片P1后面再放一个偏振片P2，P2就可以检验经P1后的光是否为偏振光，即P2起了检偏器的作用。当起偏器P1检偏器P2的偏振化方向（透光轴）之间的夹角为时，如图2所示，则通过检偏器P2的偏振光强度P1的偏振光强度I满足马吕斯定律： I=I0COS2 （6）式中，I0为通过起偏器P1的透射光的光强I I0 P1 P2图2 起偏和检偏由式（6）可知，线偏振光通过检偏器P2的透射光强I随做周期变化。如果转动检偏器，透射光强随之变化：当=0时，透射光强I=I0最大；当=90时，会出现消光现象，即I=0;如果是自然光（包括圆偏振光）照射到检偏器上，则不论怎么转动检偏器，透射光强都不会变化；如果是部分偏振光（包括椭圆偏振光）照到偏振器上，转动检偏器，透射光强有变化，但不会出现光强为零1.2.2 波片与圆偏振光和椭圆偏振光当一束光射入各向异性的晶体时，会产生双折射现象。当振动方向与波片光轴的夹角为的线偏振光垂直入射到厚度为d、表面平行于自身光轴的各向异性晶体波片后，分解为振动方向相互垂直、沿同方向传播的e光和o光。折射率不同的o光与e光之间光程差为L=(no-ne)d （7）相位差为=2(no-ne)d （8）式中，为光在真空中的波长，分别为晶体对的折射率在偏振技术中，常将这种能是互相垂直的光振动产生一定的相位差的晶体片叫波片。对于1/4波片，L=4，=2。则可知线偏振光通过1/4波片后的偏振状态随的不同而不同：=0时，产生振动方向平行于波片光轴的线偏振光；=90时，产生振动方向垂直于波片光轴的线偏振光；=45时，产生圆偏振光；为其他值时，产生椭圆偏振光。反之，椭圆偏振光垂直通过1/4波片后，仍有可能是椭圆偏振光，但是，当椭圆的长轴（或短轴）与1/4波片的光轴垂直或平行时，则变成线偏振光；而圆偏振光垂直通过1/4波片后，将变成线偏振光o光e光 晶体片 光轴 d图3 波片1.2.3 偏振状态与光强在两个偏振片P1和P2之间插入1/4 波片，三元件的平面彼此平行，激光垂直通过起偏器P1变成光强为I1的线偏振光。当1/4波片的光轴（e）轴与起偏器P1的透光轴间的夹角为、与检偏器P2的透光轴间的夹角为时，若不计器件的光能损失，则透过偏振片P2后的光强为I2=I1(COS2COS2+sin2sin2) （9）=0时，出射光为振动方向平行于1/4波片光轴的线偏振光，相对光强为I2I1=12+12cos(2) （10）=45时，出射光为圆偏振光，相对光强为I2I1=12 （11）=60时，出射光为椭圆偏振光，相对光强为I2I1=12-14cos(2) （12）=90时，出射光为振动方向垂直于1/4波片光轴的线偏振光，相对光强为I2I1=12-12cos(2) （13）1.3 布儒斯特定律反射光的偏振程度取决于入射角i，当入射角i与折射角之和等于90，即反射光与折射光互相垂直时，反射光成为光振动方向与入射面垂直的线偏振光，设以iB代表这种情况下的入射角，由折射定律siniB=n2n1sin=n2n1cosiB得到taniB=n2n1 （14）式（14）称为布儒斯特定律，式中iB为布儒斯特角。如果激光从空气中入射到入射面上，有n1=1，由此可以计算出介质的折射率。当圆偏振光以布儒斯特角入射到介质表面时，其反射光为线偏振光，这就是反射起偏现象。二 实验仪器半导体激光器，光具座，偏振片，1/4波片，光功率计，三棱镜，毛玻璃屏。三 实验内容1. 鉴别半导体激光器的偏振状态，测量检偏器后不同透振方向光强的极大和极小值（移动激光器位置，使激光直接入射检偏器）；2. 观察线偏振光及验证马吕斯定律，消光时起偏器与检偏器透振方向的夹角=90；3. 观察和测量不同偏振状态的偏振光的相对光强分布规律；4. 利用带转盘的载物台和三棱镜，测量布儒斯特角。四 实验步骤及原始数据1. 打开光功率计，发射激光束，调整共轴。插入偏振片P1，使偏振片在垂直于光束的平面内旋转，观察光强随检偏器转过角度的变化最大光强2.72mW 检偏器角度 114.0最小光强1.82mW 检偏器角度 23.92. 验证马吕斯定律，在偏振片P1和光功率计之间加入偏振片P2，将P1固定，旋转P2,通过激光功率计测量当起偏器P1与检偏器P2的夹角为时的光强I（要求激光通过起偏器后的光强尽量大，I1mW；消光处=90）表2 马吕斯定律数据表（）9080706050I(mW)0.000.060.260.580.97（）403020100I(mW)1.421.822.162.382.463. 观察不同偏振光的光强变化：在两正交透振方向的偏振片中间插入1/4波片，波片从消光位置转过已经的角度（0,20,45度），观察并记录检偏器转动一周时，光强大小的变化次数及消光次数，判定光的偏振状态。消光时波片光轴方向与起偏器透振方向平行或垂直。测量各偏振光光强分布如下表3 各偏振光光强数据表波片的角度02045检偏器角度功率计读数（mW）00.000.200.79100.050.230.80200.180.320.80300.410.460.82400.680.640.83500.970.850.84601.241.000.85701.451.170.86801.591.230.86901.641.270.871001.591.230.861101.451.140.861201.231.000.851300.970.880.851400.690.680.841500.410.480.831600.190.330.821700.050.230.811800.000.190.801900.050.220.802000.180.310.812100.400.450.822200.670.640.832300.960.830.842401.221.000.852501.441.200.862601.591.320.862701.651.350.872801.601.290.862901.461.250.853001.231.040.843100.980.890.833200.680.690.823300.410.500.813400.200.350.803500.050.240.79=0时，透振光为线偏振光，转动检偏器P2，发现有2次消光，2次光强最强。=20时，透振光为椭圆偏振光，转动检振器P2，发现光强有变化，但没有消光。=45时，透振光为圆偏振光，转动检偏器P2，发现光强变化不大，无消光。4. 测量布儒斯特角图4 测量仪器取下起偏器P1和检偏器P2让半导体激光直接通过波片，此时光偏振状态最接近圆偏振光。在光学转动平台上放置好棱镜，使玻璃表面穿过转动平台中心。转动平台，使棱镜表面垂直与入射光（观察反射光的位置）。记下此时转动平台的位置。再次转动平台，用转接杆追踪反射光斑，并观察测量反射光的偏振态，了解入射角与偏振态的关系，找到反射光为完全线偏振光的位置。此时的入射角为布儒斯特角垂直入射时转盘角度：10.3 ，反射光变为线偏振光时转盘角度：67.4 ，两者之差为57.1 ，即为三棱镜的布儒斯特角。五 实验数据处理1. 计算激光的偏振度P=Imax-IminImax+Imin=2.72-1.822.72+18.2=0.198可见激光为部分偏振光2. 做线偏振光光强I与cos2的关系图，验证马吕斯定律用matlab工具分析数据得如图5所示图5 线偏振光光强I与cos2的关系图3. 用极坐标做不同偏振状态的偏振光的相对光强分布，分别计算波片在消光位置和转过45时的光强的极大值和极小值之比并解释用matlab软件处理数据，做极坐标的相对光强分布曲线图如下波片在消光位置处：图6 波片在消光位置处的相对光强分布图波片转过20后：图7 波片转过20的相对光强分布图波片转过45后：图8 波片转过45的相对光强分布图4. 计算布儒斯特角和三棱镜折射率由实验所得三棱镜的布儒斯特角为57.1 ，所以三棱镜的折射率 n=tan57.1=1.546六 结论6.1 验证马吕斯定律实验的结果分析从图形中看出检偏器旋转一周光强变化交替出现两次最亮和两次消光；且光强符合马吕斯定律I=I0COS2（为检偏器透光轴与偏振光方向间的夹角），I与COS2呈线性关系6.2 验证波片产生各种偏振光的结果分析6.2.1 当1/4波片在=0时相对光强分布曲线图是一个近似8的图形，说明此时偏振光为振动方向平行于1/4波片光轴的线偏振光，与理论结果基本符合。6.2.2 当1/4波片在=20时相对光强分布曲线图是呈现葫芦形的，说明此时出射光既不是线偏振光也不是圆偏振光，而是椭圆偏振光，与理论结果基本符合。6.2.1 当1/4波片在=45时相对光强分布曲线图是一个比较标准的圆形，满足圆偏振光在极坐标下的相对光强分布，与理论结果基本符合。通过实验证明了波动光学中的马吕斯定律，获得偏振光的方法以及各种偏振光的性质。以后可以进一步研究光的偏振现象受周围电场磁场的影响可