偏振光实验

偏振光实验

一． 实验目的

1、 通过观察光的偏振现象，加深对光传播规律的认识 2、 掌握产生和检验偏振光的原理和方法

二．实验仪器：半导体激光器，碘钨灯，硅光电池，偏正片（2

反射镜，玻璃堆，平台和光具座等。

片），四分之一波片，

三．实验原理

1.光的偏振性

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。

（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（见下图）。

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Ax=Ay。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的强度Ix=Iy，又因 自然光强度

I=Ix+Iy

所以每束线偏振光的强度是自然光强度的1/2，即

通常用图（b）的图示法表示自然光。图中用短线和点分别表示在纸面内和垂直于纸面的光振动，点和短线交替均匀画出，表示光矢量对称而均匀的分布。 （2）线偏振光

光矢量只沿一个固定的方向振动时，这种光称为线偏振光，又称为平面偏振光。光矢

量的方向和光的传播方向所构成的平面称为振动面，如图（a）所示。线偏振光的振动面是固定不动的，图（b）所示是线偏振光的表示方法，图中短竖线表示光振动在纸面内，点表示光振动垂直于纸面。

（3）部分偏振光

这是介于线偏振光与自然光之间的一种偏振光，在垂直于这种光的传播方向的平面内，各方向的光振动都有，但它们的振幅不相等，如图（a）所示。这种部分偏振光用数目不等的点和短线表示。在图（b）中，上图表示在纸面内的光振动较强，下图表示垂直纸面的光振动较强。要注意，这种偏振光各方向的光矢量之间也没有固定的相的关系。

（4）圆偏振光和椭圆偏振光

这两种光的特点是在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量按一定频率旋转（左旋或

右旋）。如果光矢量端点轨迹是一个圆，这种光叫圆偏振光（见图（a））。如果光矢量端点轨迹是一个椭圆，这种光叫椭圆偏振光（见图（b））。

2.马吕斯定律

如果光源中的任一波列（用振动平面E表示）投射在起偏器P上（如下图），只有相当

于它的成份之一的Ey（平行于光轴方向的矢量）能够通过，另一成份Ex（=E cosθ）则被吸收。与此类似，若投射在检偏器A上的线偏振光的振幅为E0，则透过A的振幅为E0 cosθ（这里θ是P与A偏振化方向之间的夹角）。由于光强与振幅的平方成正比，可知透射光强I随θ而变化的关系为

II0cos

这就是马吕斯定律。

2

……………………………(1)

3.波片

若使线偏振光垂直入射一透光面平行于光轴，厚度为d的晶片，此光因晶片的各向异性

而分裂成遵从折射定律的寻常光（o光）和不遵从折射定律的非常光（e光）。因o光和e光

在晶体中这两个相互垂直的振动方向有不同的光速，分别称做快轴和慢轴。设入射光振幅为

A，振动方向与光轴夹角为θ，入射晶面后o光和e光振幅分别为Asin θ和Acos θ,出射

后相位差



2

0

(none)d

式中λ0是光在真空中的波长，no和ne分别是o光和e光的折射率。 这种能使相互垂直振动的平面偏振光产生一定相位差的晶片就叫做波片。

如果以平行于波片光轴方向为x坐标，，垂直于光轴方向为y坐标出射的o光和e光可

用两个简谐振动方程式表示：

xAesint yAosin(t)

该两式的合振动方程式可写成

x2y22xy

cossin2 22

AeAoAeAo

一般说来，这是一个椭圆方程，代表椭圆偏振光。但是当

2k

（k＝1、2、3…）或 （k＝0、1、2…）

(2k1)

时，合振动变成振动方向不同的线偏振光。后一种情况，晶片厚度

d

(2k1)

none2

可使o光和e光产生（2k+1）λ/2的光程差，这样的晶片称做半波片,而当

(2k1)

时，合振动方程化为正椭圆方程



2

（k＝1、2、3…）

x2y2

1 A2eA2o

这时晶片厚度d

(2k1)

，称做1/4波片。它能使线偏振光改变偏振态，变成椭圆偏振

none4

光。但是当入射光振动面与波片光轴夹角θ＝45°时，Ae＝Ao，合振动方程可写成

x2y2A2

即获得圆偏振光。

4.偏振光的获得

自然界的大多数光源所发出的是自然光。为了从自然光得到各种偏振光，需要采用偏振器件。偏振片、玻片堆和尼科耳棱镜等都可以用作起偏器，自然光通过这些起偏器后就变成了线偏振光。偏振片常用具二向色性的晶体制成，这些晶体对不同方向的电磁振动具有选择吸收的性质，当光线射在晶体的表面上时，振动的电矢量与光轴平行时吸收得较少，光可以较多地通过；电矢量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得很少。通常的偏振片是在拉伸了的塞璐璐基片上蒸镀一层硫酸碘奎宁的晶粒，基片的应力可以使晶粒的光轴定向排列起来，这样可得到面积很大的偏振片。

为了得到椭圆偏振光，使自然光通过一个起偏器和一个波片即可。由起偏器出射偏振光正入射到波片中去时，只要其振动方向不与波片的光轴平行或垂直，就会分解成0光和e光，穿过波片时在它们之间就有一定的附加相位差δ。射出波片之后，传播方向相同的这两束光的速度恢复到一样，它们在一起一般是合成椭圆偏振光。只有当这两面束光之间的相位差等于±π/2，且振幅相同时，才有可能得到圆偏振光。

换言之，令一束线偏振光垂直通过一波片，一般我们得到一束椭圆偏振光；只有通过1/4波片，且波片的光轴与入射光的振动面成对45°角时，我们才能得到一束圆偏振光。

四．实验步骤：

1、 验证马吕斯定律：

①将电源和万用表连接好，将万用表的旋钮旋到直流电压处，将四分之一波片取下。调整起偏器、检偏器、光源和硅光电池在同一水平线上，记下此时万用表的读数U0。

②打开光源开光，调整检偏器使万用表的数值最大，记录此时P2的位置 ③以P2的起始位置为起点，每隔15度测量一个数据，总共测量25个数据。 ④将数据整理填进表格，处理数据。

2、 验证椭圆偏振光

①在为放置四分之一波片前，调节P2至电压U值最小处挺 ，记录此时P2的位置和U0； ②P1，P2之间放入四分之一波片，旋转四分之一波片至电压U值最小处停，记录四分之一波片的位置；

③旋转P2一周，每隔15度记录一次U值;

④改变四分之一波片于P1的夹角为30度和45度分别旋转P2一周，每周隔15度记录一次U值；

⑤分别画出夹角为0、30、45度时的θ-（U-U0）图.

五．实验数据处理

1、 验证马吕斯定律：

实验原始数据记录

20

2、 验证椭圆偏振光

α=0°时的实验原始数据记录

20

α=30°时的实验原始数据记录

20

α=45°时的实验原始数据记录

P2:135° 1/4波片：255° U0:0.301

六．实验感想

做光学实验中体会最深的就是我们需要耐心细致和严谨，这不仅锻炼了我们实验的素质而且增强了我们做实验的兴趣。指导书上只有大纲，很多地方都需要我们自己去多问几个为什么，所以实验前的预习显得尤其重要，它可以使我们宏观地把握做实验的全程，做到成竹于胸；实验过程中最重要的便是要做到用心观察及如实的记录，有些时候，实验的具体步骤与参考书中有所不同，这就需要我们用心思考；实验后的数据处理及分析充分体现了我们对该实验的整体把握，应该好好分析，参考相应资料，分析出自己在实验过程中的得失，只有这样才能真正有所收获。

此次实验为半定量实验，由仪器或者读数造成的误差很大，所在粗调的时候应当仔细，尽量使激光处于镜筒中心以减小误差。读数的时候要注意游标应该像一个方向旋转，以避免空程引起的误差。激光的光强很强，要注意保护眼睛，用光强探测器读值。

通过本次实验我还接触到了一种新的光学器具——偏光片，学会了用光电转换装置通过观察光电流变化来观察光强变化，同时也对书本上所讲的光的性质有了更加深刻的认识，有一份不小的收获，在这里也要感谢老师的帮助。

七．注释：以上图形都是通过origin图形编辑软件得出的，表格通过word绘制而成，

参考资料来自百度文库。

偏振光实验

一． 实验目的

1、 通过观察光的偏振现象，加深对光传播规律的认识 2、 掌握产生和检验偏振光的原理和方法

二．实验仪器：半导体激光器，碘钨灯，硅光电池，偏正片（2

反射镜，玻璃堆，平台和光具座等。

片），四分之一波片，

三．实验原理

1.光的偏振性

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。

（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（见下图）。

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Ax=Ay。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的强度Ix=Iy，又因 自然光强度

I=Ix+Iy

所以每束线偏振光的强度是自然光强度的1/2，即

通常用图（b）的图示法表示自然光。图中用短线和点分别表示在纸面内和垂直于纸面的光振动，点和短线交替均匀画出，表示光矢量对称而均匀的分布。 （2）线偏振光

光矢量只沿一个固定的方向振动时，这种光称为线偏振光，又称为平面偏振光。光矢

量的方向和光的传播方向所构成的平面称为振动面，如图（a）所示。线偏振光的振动面是固定不动的，图（b）所示是线偏振光的表示方法，图中短竖线表示光振动在纸面内，点表示光振动垂直于纸面。

（3）部分偏振光

这是介于线偏振光与自然光之间的一种偏振光，在垂直于这种光的传播方向的平面内，各方向的光振动都有，但它们的振幅不相等，如图（a）所示。这种部分偏振光用数目不等的点和短线表示。在图（b）中，上图表示在纸面内的光振动较强，下图表示垂直纸面的光振动较强。要注意，这种偏振光各方向的光矢量之间也没有固定的相的关系。

（4）圆偏振光和椭圆偏振光

这两种光的特点是在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量按一定频率旋转（左旋或

右旋）。如果光矢量端点轨迹是一个圆，这种光叫圆偏振光（见图（a））。如果光矢量端点轨迹是一个椭圆，这种光叫椭圆偏振光（见图（b））。

2.马吕斯定律

如果光源中的任一波列（用振动平面E表示）投射在起偏器P上（如下图），只有相当

于它的成份之一的Ey（平行于光轴方向的矢量）能够通过，另一成份Ex（=E cosθ）则被吸收。与此类似，若投射在检偏器A上的线偏振光的振幅为E0，则透过A的振幅为E0 cosθ（这里θ是P与A偏振化方向之间的夹角）。由于光强与振幅的平方成正比，可知透射光强I随θ而变化的关系为

II0cos

这就是马吕斯定律。

2

……………………………(1)

3.波片

若使线偏振光垂直入射一透光面平行于光轴，厚度为d的晶片，此光因晶片的各向异性

而分裂成遵从折射定律的寻常光（o光）和不遵从折射定律的非常光（e光）。因o光和e光

在晶体中这两个相互垂直的振动方向有不同的光速，分别称做快轴和慢轴。设入射光振幅为

A，振动方向与光轴夹角为θ，入射晶面后o光和e光振幅分别为Asin θ和Acos θ,出射

后相位差



2

0

(none)d

式中λ0是光在真空中的波长，no和ne分别是o光和e光的折射率。 这种能使相互垂直振动的平面偏振光产生一定相位差的晶片就叫做波片。

如果以平行于波片光轴方向为x坐标，，垂直于光轴方向为y坐标出射的o光和e光可

用两个简谐振动方程式表示：

xAesint yAosin(t)

该两式的合振动方程式可写成

x2y22xy

cossin2 22

AeAoAeAo

一般说来，这是一个椭圆方程，代表椭圆偏振光。但是当

2k

（k＝1、2、3…）或 （k＝0、1、2…）

(2k1)

时，合振动变成振动方向不同的线偏振光。后一种情况，晶片厚度

d

(2k1)

none2

可使o光和e光产生（2k+1）λ/2的光程差，这样的晶片称做半波片,而当

(2k1)

时，合振动方程化为正椭圆方程



2

（k＝1、2、3…）

x2y2

1 A2eA2o

这时晶片厚度d

(2k1)

，称做1/4波片。它能使线偏振光改变偏振态，变成椭圆偏振

none4

光。但是当入射光振动面与波片光轴夹角θ＝45°时，Ae＝Ao，合振动方程可写成

x2y2A2

即获得圆偏振光。

4.偏振光的获得

自然界的大多数光源所发出的是自然光。为了从自然光得到各种偏振光，需要采用偏振器件。偏振片、玻片堆和尼科耳棱镜等都可以用作起偏器，自然光通过这些起偏器后就变成了线偏振光。偏振片常用具二向色性的晶体制成，这些晶体对不同方向的电磁振动具有选择吸收的性质，当光线射在晶体的表面上时，振动的电矢量与光轴平行时吸收得较少，光可以较多地通过；电矢量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得很少。通常的偏振片是在拉伸了的塞璐璐基片上蒸镀一层硫酸碘奎宁的晶粒，基片的应力可以使晶粒的光轴定向排列起来，这样可得到面积很大的偏振片。

为了得到椭圆偏振光，使自然光通过一个起偏器和一个波片即可。由起偏器出射偏振光正入射到波片中去时，只要其振动方向不与波片的光轴平行或垂直，就会分解成0光和e光，穿过波片时在它们之间就有一定的附加相位差δ。射出波片之后，传播方向相同的这两束光的速度恢复到一样，它们在一起一般是合成椭圆偏振光。只有当这两面束光之间的相位差等于±π/2，且振幅相同时，才有可能得到圆偏振光。

换言之，令一束线偏振光垂直通过一波片，一般我们得到一束椭圆偏振光；只有通过1/4波片，且波片的光轴与入射光的振动面成对45°角时，我们才能得到一束圆偏振光。

四．实验步骤：

1、 验证马吕斯定律：

①将电源和万用表连接好，将万用表的旋钮旋到直流电压处，将四分之一波片取下。调整起偏器、检偏器、光源和硅光电池在同一水平线上，记下此时万用表的读数U0。

②打开光源开光，调整检偏器使万用表的数值最大，记录此时P2的位置 ③以P2的起始位置为起点，每隔15度测量一个数据，总共测量25个数据。 ④将数据整理填进表格，处理数据。

2、 验证椭圆偏振光

①在为放置四分之一波片前，调节P2至电压U值最小处挺 ，记录此时P2的位置和U0； ②P1，P2之间放入四分之一波片，旋转四分之一波片至电压U值最小处停，记录四分之一波片的位置；

③旋转P2一周，每隔15度记录一次U值;

④改变四分之一波片于P1的夹角为30度和45度分别旋转P2一周，每周隔15度记录一次U值；

⑤分别画出夹角为0、30、45度时的θ-（U-U0）图.

五．实验数据处理

1、 验证马吕斯定律：

实验原始数据记录

20

2、 验证椭圆偏振光

α=0°时的实验原始数据记录

20

α=30°时的实验原始数据记录

20

α=45°时的实验原始数据记录

P2:135° 1/4波片：255° U0:0.301

六．实验感想

做光学实验中体会最深的就是我们需要耐心细致和严谨，这不仅锻炼了我们实验的素质而且增强了我们做实验的兴趣。指导书上只有大纲，很多地方都需要我们自己去多问几个为什么，所以实验前的预习显得尤其重要，它可以使我们宏观地把握做实验的全程，做到成竹于胸；实验过程中最重要的便是要做到用心观察及如实的记录，有些时候，实验的具体步骤与参考书中有所不同，这就需要我们用心思考；实验后的数据处理及分析充分体现了我们对该实验的整体把握，应该好好分析，参考相应资料，分析出自己在实验过程中的得失，只有这样才能真正有所收获。

此次实验为半定量实验，由仪器或者读数造成的误差很大，所在粗调的时候应当仔细，尽量使激光处于镜筒中心以减小误差。读数的时候要注意游标应该像一个方向旋转，以避免空程引起的误差。激光的光强很强，要注意保护眼睛，用光强探测器读值。

通过本次实验我还接触到了一种新的光学器具——偏光片，学会了用光电转换装置通过观察光电流变化来观察光强变化，同时也对书本上所讲的光的性质有了更加深刻的认识，有一份不小的收获，在这里也要感谢老师的帮助。

七．注释：以上图形都是通过origin图形编辑软件得出的，表格通过word绘制而成，

参考资料来自百度文库。