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偏振光实验中的定量分析丰建梅 丁宏亮 芦立娟（浙江海洋学院，浙江舟山，316000）摘要：本文根据理论和实验两方面对有关偏振光的问题进行定量分析，利用计算机软件（Excel）对偏振光实验的测量数据进行分析处理，使学生能更深刻的理解和掌握偏振光实验。关键词：马吕斯定律 布儒斯特角 玻片 偏振光 定量分析Quantitative analysis of polarized light experimentsFENG-Jian mei , DING-Hong liang, LU-Li juan （Zhejiang Zhoushan，Zhejiang Ocean University，316000）Abstract: Based on both theoretical and experimental issues related to quantitative analysis of polarized light, the use of computer software (Excel) experimental measurement of polarized light analysis of the data processing, so that students can more deeply understand and master the polarization experiment.Keywords: Malus law; Brewster; Slide; Polarized light; Quantitative Analysis;引言： 光的偏振特性研究是从人们进一步认识和研究晶体光学和许多重要光学仪器的基础，而研究的主要内容就是观察在对马吕斯定律的验证和观察布鲁斯特角进行定量直观的研究。其次，传统的数据处理（手工作图），误差较大，难以达到精确研究的目的。随着电子技术的不断发展，Excel这一工具，编辑为一体的办公软件，独特的功能、简单的方法得到了大众的青睐，为提高效率和减少误差，本文利用Excel软件对偏振光实验测量中的数据进行处理。1.仪器用具KF-WZS型偏振光实验仪一套 起偏器1/2波片及转动装置检偏器 光电转换装置 1/4波片及转动装置 玻璃堆 转台 光源功率计 转臂 导轨2.实验原理21马吕斯定律2 一束光强度为的线偏振光，透过检偏器以后，透射光的光强度为,其中是线偏振光的光振动方向与检偏器透振方向间的夹角，该式称为马吕斯定律。2.2布儒斯特定律3 光从折射率为年n1的介质射向折射率为n2的介质时，当入射角满足： 反射光就变为振动方向垂直于入射面得完全偏振光，而折射光仍为部分偏振光。i称为布儒斯特角.由折射定律 和布儒斯特定律 可以证明：当入射角等于i时反射光和折射光相互垂直。 即: 图1马吕斯定律 图2 布儒斯特角 注:玻璃的折射率n2=1.5 布儒斯特角i=56.3度 ，从空气入射到介质，一般起偏角在53度到58度之间。2.3波片的特性3波片是一种对二垂直振动分量提供固定相位差的元件，是从单轴晶体中切割下来的平面平行板，其表面平行于光轴。式中d为波片厚度，l为光在真空中的波长。于是，入射的偏振光通过滤片后，由于其二垂直分量之间附加了一个相位差，将会改变偏振状态。2.3.1 半波片半波处的附加相位延迟差为出射光仍为线偏振光，振动面方位较入射光转过了2q角，当q45，振动90。2.3.2 1/4波片1/4波片的附加相位差为 线偏振光通过1/4波片后，出射光将变为长、短半轴等于Ae, Ao的椭圆偏振光。当q45时，AeAoA/2，出射出光为一圆偏振光。3. 调试方法及步骤31 验证马吕斯定律 调整两偏振片透光轴平行。方法是将起偏器不动，转动检偏器，直到照度计示值最大为止。此时记下检偏器度盘上的角度示值, 即为两偏振片透光轴平行时，偏振片度盘上的角度示值。将起偏器每转动10，记下照度计的示值。如表1所示，并以cos2为横坐标，I 为纵坐标作Icos2关系曲线如下所示，由此验证马吕斯定律，如图3所示。3.2 观测光以布儒斯特角入射的偏振现象 去掉起偏器，把玻璃堆放置转台中心位置，用压片固定，调节转台使玻璃堆与入射光线垂直，完毕将玻璃堆转至布儒斯特角，转动转臂，观察功率计读数，在读数最大处固定转臂，旋转检偏器，旋转至一周，观察功率计功率变化，并分析原因。如表3所示，并以为横坐标，I为纵坐标作I关系曲线，如图4所示。3.3 观察波片现象3.3.1定偏振片光轴：把所有器件按原理图的顺序摆放在平台上，调至共轴。旋转第二个偏振片，使起偏器的偏振轴与检偏器的偏振轴相互垂直，观察消光现象。3.3.2考察平面偏振光通过/2波片时的现象：在两块偏振片之间插入/2波片，把X轴旋转二维架转动360度，观察消光的次数并解释这现象。将/2波片转任意角度，这时消光现象被破坏。把检偏器转动360度，观察发生的现象.仍使起偏器和检偏器处于正交（即处于消光现象时），插入/2波片，使消光，再将转15度，破坏其消光。转动检偏器至消光位置，并记录检偏器所转动的角度。继续将/2波片转15度（即总转动角为30度），依次使/2波片总转角为45度，60度，90度，记录检偏器消光时所转总角度。3.3.3 用波片产生圆偏振光和椭圆偏振光使起偏器和检偏器正交，用/4波片代替/2波片，转动/4波片使消光。再将/4波片转动15度，然后将检偏器转动360度，观察现象，并分析这时从/4波片出来光的偏振状态。依次将转动总角度为30度，45度，60度，90度，每次将检偏器转动，记录所观察到的现象。4.实验数据记录及处理表1：验证马吕斯定律(度)0102030405060708090I(A)115.615.114.012.610.27.84.82.20.90215.814.913.811.99.87.44.92.20.90315.614.913.611.89.56.94.62.30.80(度)100110120130140150160170180I(A)10.81.94.06.29.211.713.814.815.520.61.83.95.89.111.713.614.915.830.71.93.66.18.911.713.814.715.8 表2:通过计算得到的cos2-I相应的数据如下（0-90度）cos200.0290.120.250.410.590750.880.971平均I（A）00.71.93.86.09.111.713.714.815.7 表3：观测光以布儒斯特角入射时功率计的变化 表4：/2波片的作用 （度）306090120150180I（A）18.113.75.61.96.615.4（度）210240270300330360I（A）20.015.26.02.06.514.8半波片转动角度检偏器转动角度（度）15度3230度6145度9260度12390度184表5：/4波片的作用检偏器逐渐旋转360观察到的现象经1/4波片后光的偏振性质15在转动过程中光强有变化但无消光，且光最亮与最暗之间转过的角度接近90椭圆偏振光30在转动过程中光强有变化但无消光，且光最亮与最暗之间转过的角度接近90椭圆偏振光45在转动过程中光强几乎无变化接近于圆偏振光60在转动过程中光强有变化但无消光，且光最亮与最暗之间转过的角度接近90椭圆偏振光90检偏器和起偏器的透振方向垂直时消光；由垂直转向平行时逐渐变亮；检偏器和起偏器的透振方向平行时最亮；由平行转向垂直时逐渐变暗原来的线偏振光图3：以cos2为横坐标，I 为纵坐标作Icos2 图4：以为横坐标，I为纵如下所示， 关系曲线,由此验证马吕斯定律 坐标作I关系曲线如下所示5.实验总结从图3可知，当在90至180时I与cos2关系曲线和上图走势一样。反映了周期性的关系变化。从图4可得当入射角为布儒斯特角时，反射光为振动方向垂直入射面的线偏振光，而折射光仍为振动方向平行于入射面的成分占优势的部分偏振光。实验发现结果随着角度的变化而变化。基本在120度和300度是最小。本实验从三个方面对有关偏振光进行了系统的验证和总结，实验利用计算机软件（Excel）对偏振光实验的测量数据进行分析处理，使学生能更深刻的理解和掌握偏振光实验。人们现在对自然光有很好的认识然而对偏振光的了解还不够深刻，但随着社会的发展，越来越多的利用光的偏振光原理所制作的产品得到了人们的广泛认可；（如在摄影镜头前加上偏振镜消除反光，使用偏振镜看立体电影，利用偏振现象可了解晶体的光学特性）参考文献1竺江峰, 芦立娟. 大学物理试验M. 北京: 中国科学技术出版社, 2005.2002032大学物理简明教程 赵近芳 主编 北京邮电大学出版社 2008年7月3光学(第2版物理专业经典教材)