偏振光实验报告仿真

实验报告

------物理仿真实验

课 程： 大学物理仿真实验 实验名称：偏振光实验

系 别： 电信学院 实验报告日期： 2009 年 11 月 28 日

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1.实验原理：

偏振光原理：

按电磁波理论,光是横波，它的振动方向和光的传播方向垂直.实际中最常见的光的偏振态大体为五种，即自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏娠光和椭圆偏振光．

1. 自然光是各方向的振幅相同的光。对自然光而言，它的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内可取所有可能的方向，没有一个方向占有优势.若把所有方向的光振动都分解到相互垂直的两个方向上，则在这两个方向上的振动能量和振幅都相等。

2． 线偏振光是在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿一个方向振动。起偏器是将非偏振光变成线偏振光的器件；检偏器是用于鉴别光的偏振光状态的器件。常见的起偏或检偏的元件构成有两种：

偏振片：它是利用聚乙烯醇塑胶膜制成，它具有梳状长链形结构分子，这些分子平行排列在同一方向上，此时胶膜只允许垂直于排列方向的光振动通过，因而产生线偏振光.

光学棱镜：如尼科耳棱镜、格兰棱镜等，它是利用光学双折射的原理制成的；

3． 部分偏振光：

除了自然光和线偏振光外，还有一种偏振状态介于两者之间的光．如果用偏振片去检验这种光的时候，随着检偏器透光方向的转动，透射光的强度既不象自然光那样不变，又不象线偏振光那样每转90o。交替出现强度极大和消光．其强度每转90o也交替出现极大和极小，但强度的极小不是0(即不消光)。从内部结构看，这种光的振动虽然也是各方向都有，但不同方向的振幅大小不同，具有这种特点的光，叫做部分偏损光

我们假定波是沿z轴传播的，在图中它垂直纸面迎面而系．这时若电矢量按逆时针方向旋转，我们称为左旋圆偏振光。若顺时针旋转，称为右旋圆偏振光。

5． 椭圆偏振光

电矢量的端点在波面内描绘的轨迹为一椭圆的光，叫椭圆偏振光。椭圆运动也可看成是两个相互垂直的线偏振光的合成，只是它们的振幅不等，或位相差不等于±π/2。

椭圆长、短轴的大小和取向，与振幅Ax, Ay和位相差 都有关系。可以看出线偏振光和圆偏振光都是椭圆偏振光的特例，常用波晶片把椭圆偏振光转换为线偏振光。

椭圆偏振光退化为圆偏振光的条件是：Ax ＝ Ay 和 ＝±π/2。

椭圆偏振光退化为线偏振光的条件是：Ax ＝ 0，或Ay ＝ 0，或 ＝0，±π。

椭圆偏振光也有左、右旋之分，其定义与前面圆偏振光的定义相同。

波晶片：又称位相延迟片，是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，由于波晶片内的速度vo,ve不同，所以造成o光和e光通过波晶片的光程也不同.当两光束通过波晶片后o光的位相相对于e光多延迟了Δ=2π(n0-n1)d/λ，若满足(ne-no)d=±λ/4，即Δ=±π/2我们称之为λ/4片，若满足(ne-no)d=±λ/2，即Δ=±π，我们称之为λ/2片，若满足(ne-no)d=±λ，即Δ=2π我们称之为全波片。

布儒斯特定律：

自然光以任意入射角i入射于两种各向同性的透明介质的分界面商。一般情况下，反射光和入射光分别是部分偏振光，垂直于入射面振荡的电矢量在反射光中占主要地位。在入射面上振荡的电矢量在折射光中占主要地位。有一特殊入射角b,当i =b 时，反射光线垂直于折射光线(i +b = π/2)，反射光变成完全偏振光。该现象最早在1815年为布儒斯特所发现，我们称之为布儒斯特定律，b叫做布儒斯特角，满足下列方程：

其中n1，n2是相邻两种媒质的折射率。

改变射向晶体的入射光线的方向，可以找到一个确定的方向，沿着这一方向，o光和e光传播速度相等，折射率相同，不产生双折射现象，这个方向叫做光轴。只有一个光轴的晶体叫做单轴晶体(如方解石、石英等)，有两个光轴的晶体称为双轴晶体(如云母、硫磺等)。

包含光轴和任一光线的平面，称做对应于该光线的主平面。O光的电矢量的振动方向垂直于主平面。e光电矢量的振动方向在它的主平面内。

本实验用来获得偏振光的仪器叫做格兰棱镜。格兰棱镜是由两面三块方解石棱镜构成的，二棱镜间的空气隙，方解石的光轴平行于棱镜的棱。自然光垂直于界面射入棱镜后分为o光和e光，o光在空气隙上全反射，只有e光透过棱镜射出

马吕斯定律：

马吕斯在1809年发现，完全线偏振光通过检偏器后的光强可表示为I1 = I0 cos2α，其中的a是检偏器的偏振方向和入射线偏振光的光矢量振动方向的夹角：

2.实验仪器：

半导体激光器，起偏器，检偏器，1/4波片，光电探测器，光电探测器台，光电流放大器，光屏，光具座。

3.实验内容：

根据马吕斯定律测定光电池的线性响应:

P1：起偏器，方位不变

P2：检偏器，改变其方位以得到不同强度的偏振光，用来测定硅光电池的线性响应

B：分束板，使激光器的光束部分投射(I0)，部分反射(I1)

D1：光源光强监视器，包括硅光电池及光电流检测装置，用以I0的变化。

D2：当P2方位变化时，偏振光强I2依照马吕斯定律改变，I2的变化将由D2测定。

测量数据:

I1 ，I2 ：D1，D2的光电流读数,

为起偏器P1后平面偏振光方位与检偏器P2后平面偏振光方位的夹角。

：P2盘读数

根据测量结果，绘出与关系曲线，是否呈线性关系。

根据布儒斯特定律测定介质的折射率:

利用布儒斯特定律时，只能在入射光为P分量(电矢量平行入射面)时，才能得到反射率为零的布儒斯特角。故实验分为两步进行：

A. 确定起偏器的方位，在此方位使入射到样品表面的入射光(即起偏后的偏振光)的偏振方向恰好为P分量。实验方法如下：

1． P1在某一方位时，转动样品面使反射光的反射角在50o~60o之间，移动光屏使得反射光点落于其上，仔细观察光屏上反射光的强弱变化。选定出射光点最暗的某一位置做下一步调整。

2．然后旋转P1的角度，观察光屏上反射光点的亮暗变化。找到一个光点最暗的P1方位角。

3．再依次重复1，2的步骤，知道反射光强近于零。此时P1的方位角恰好使出射平面偏振光与入射平面相重合，即为P分量。

B. 根据布儒斯特定律确定介质材料的折射率。

1． 实验光路图如上所示，P1应在P分量的起偏方位上。

2．调整样品的方位，使样品反射面中央部分恰好位于样品台的旋转中心上。当＝0 时，反射光应沿着入射光防线返回，不得偏离。

3．旋转样品台，改变I0的入射角：同时旋转动臂由光电它测器D2测量反射光Ir的强度。反射角每改变5o~10 o，读一次Ir，同时记下Ir的数据，知道入射角改变到80 o为止。在反射最弱的布儒斯特角附近多测几组数据。设P分的反射率为Rp，则在 角时P分量的反射率为：

在起偏器和检偏器中间放入1/4波片，转动P2时，i2()~曲线呈椭圆形，即出射光为椭圆偏振光，当1/4波片光轴与入射偏振平面夹角为45o时，出射光为圆偏振光，i2()~ 曲线是圆形。

实验重点、难点：

1. 理解偏振光的物理本质，学会几种偏振光的鉴别。

2. 光电探头的电流溢出问题。

4.实验步骤：

1.如图所示连接各实验原件

从左到右依次为 光电探测器，偏振片，光电探测器 偏振片 激光器。光电流放大器（下）

2.打开激光器 ，调节光电放大器的零点，由右侧表盘读数：

I0=27.6μA

3.移除右侧光电探测器，如图：

4.移动偏振片角度，分别为20，40，60，80时读数如图：

并填表：

整理：

呈线性关系.

5实验结论：

偏振光的入射满足马吕斯定律即：，实验误差在实验允许范围内.

6参考资料

1.《大学物理实验》第二册，谢行恕 康世秀 霍剑青主编，高等教育出版社

2.《中国大百科全书》I,II 中国大百科全书出版社

3.《光学教程》姚启钧 高等教育出版社

4.《光学》赵凯华，北京大学出版社

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/e8963f52ad02de80d4d840da.html