光偏振实验报告
宋柯佳
（北京邮电大学，2011211119班，2011210566）
摘 要：概括地陈述论文研究的目的、方法、结果、结论。论文介绍了光的偏振现象，并且给出了常用的起偏振和检偏振方法。通过实验数据给出了圆偏振和椭圆偏振的实验现象和产生方法。实验通过光功率计的示数显示光通过偏振片后的强度，验证了马吕斯定律。通过改变两个偏振片的角度和四分之一玻片，产生了椭圆偏振光和圆偏振光。光的偏振性证明了光是横波，人们通过对光的偏振性质的研究，更深刻地认识了光的传播规律和光与物质的相互作用规律。
关键词：光偏振；马吕斯定律；起偏振；检偏振 中图分类号：（作者本人填写） 文献标识码：A
Optical polarization test report
Song Kejia
( Beijing University of Posts and Telecommunications)
Abstract ： This paper introduces the phenomenon of polarization of the light, and gives thecommonly used methods polarizer and an
analyzer. Through experimental
data showscircular
polarization and elliptical
polarization experimental phenomena and methods of production. Through the power meter shows the number of experiments show the strength of the light through a polarizer after verified Malus law. By changing the angle of the polarizer and a quarter two slides, produce elliptical polarized light and circularly polarized light. Polarization of the light wave alone proved, people
through the
polarizationproperties
of light, a
deeper
understanding of
light propagation and light-matterinteraction law
Keywords: Optical polarization；Malus law；Polarizing ；An analyzer
引言
光是电磁波，可用两个相互垂直的振动矢量—
正文 1实验原理
1．1 光的偏振态
光波有5种偏振态，分别是：线偏振，圆
偏振，椭圆偏振，自然光和部分偏振光。 1．2布儒斯特角
当光线以角度θB = arctan (n1/n2)
n 1入射时，P 光的反射率为0，这样反射光为线偏振光。当光线以θB 入射到波片堆上，经过多次反射透射后，得到的光是部分偏振光。
1．3 偏振片
当光的电矢量与晶体的光轴平行时，光被晶体吸收的较少，而电矢量与光轴垂直时，
—电矢量E 和磁矢量H 表征。因物质与电矢量的作用大于对磁矢量的作用，习惯上称E 矢量为光矢量，代表光振动。
光在传播过程中遇到介质发生反射、折射、双折射或通过二向色性物质时，本来具有随机性的光振动状态就会起变化，发生各种偏振现象。若光振动局限在垂直于传播方向的平面内，就形成平面偏振光，因其电矢量末端的轨迹成一直线，通称线偏振光；若只是有较多的电矢量取向于某固定方向，称作部分偏振光。再者，如果一种偏振光的电矢量随时间作有规律的变动，它的末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆形，这种偏振光就是椭圆偏振光或圆偏振光。 实验日期：2013-05-19
作者简介：宋柯佳(1993), 女，学生，本科，[email protected]
光被吸收的较多。
当平面偏振光同过1/4波片后，产生偏振光的性质与φ相关：
1．4 波晶片
φ= 0°时：出射光为振动方向平行1/4波片光轴的平面偏振光。 单轴晶体内部，光被分成偏振方向不同的两
φ= 90°时：出射光为振动方向垂直1/4波片光轴束，他们的折射率不同。这样，若光沿垂直
的平面偏振光。
光轴并且同时刚好垂直晶体表面方向入射时，
φ= 45° 时：出射光为圆偏振光。
两束光的方向都不变，但是他们的相位却出
φ为其他值时，出射光为椭圆偏振光。
现了不同。波晶片常用的有λ/2和λ/4两种。分别指两个偏振方向的光的光程差
2 观察半导体激光光强随检偏器转过角度的变化
最大光强：2.82 检偏器角度：277° 最小光强：0.05 检偏器角度：187°
3 验证马吕斯定律
按照马吕斯定律，强度为I 0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为： I = I0 cos2 θ θ为入射偏振光的偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角，显然当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度I 将发生周期性变化。当 θ=0 时，透射光强最大；当 θ=90 时，透射光强为极小值（消光状态），当 θ
Θ（°）
90 80 70 60 50 40 30 20 10 光强I
0.1
0.3
0.60.91.21.51.71. 3
2
3
7
5
6
87
由图可以看出，光强和角度的关系满足马吕斯定律。光电流强度与角度余弦值的平方成线形关系
4 用极坐标做出不同偏振装填偏振光的相对光强分布图
波片的角度φ 0° 20° 45°
检偏器角度φ
功率计读数I （） 0° 0.00 0.24 0.64 10° 0.06 0.17 0.64 20° 0.20 0.15 0.63 30° 0.38 0.19 0.62 40° 0.57 0.27 0.61 50° 0.78 0.38 0.61 60° 0.94 0.52 0.60 70° 1.07 0.66 0.59 80° 1.15 0.79 0.58 90° 1.16 0.92 0.57 100° 1.15 1.02 0.56 110° 1.07 1.03 0.56 120° 0.96 1.00 0.58 130° 0.79 0.91 0.58 140° 0.58 0.78 0.60 150° 0.38 0.64 0.62 160° 0.20 0.50 0.63 170°
0.06
0.36
0.64
波片的角度φ 0°
20°
45°
检偏器角度φ
功率计读数I （） 180° 0.00 0.25 0.64 190° 0.06 0.19 0.64 200° 0.19 0.16 0.63 210° 0.36 0.20 0.62 220° 0.54 0.27 0.61 230° 0.73 0.39 0.61 240° 0.94 0.54 0.60 250° 1.05 0.67 0.59 260° 1.15 0.81 0.57 270°
1.16 0.92 0.56 280° 1.15 1.01 0.56 290° 1.09 1.04 0.57 300° 0.98 1.00 0.58 310° 0.78 0.91 0.60 320° 0.58 0.79 0.61 330°
0.39 0.64 0.64 340° 0.20 0.50 0.62 350°
0.06
0.35
0.63
对照极坐标图，可以得出同样结论。
将1/4波片转20度与转40度时的图像进行比较：可知45度时光电流强度的最大值较小，最小值较大，最大值与最小值之差减小了。而且45度与20度时产生极值的角度值发生了变化。这些都是由于1/4波片角度发生了改变，使合成的偏振状态也发生了改变。
5 实验误差分析
1〃实验中获得的数据与理想情况还是有一定的误差。因为在实验室中，许多组实验在同时进行，光是很敏感的，自己的仪器受其他实验产生的光的影响还是很大的。我们在实验尽量挡住其他方向来的光，这样使实验结果趋于理想
2〃关于实验中零点的取值：我们在实验中发现有连续的好几个数据点的值都是0，这样就不好选取0点，所以就大致取中间的一个数据点作为0点，最后统计数据时发现有时这个0点的选取还是有偏差的
3〃读取多组数据时候会有读数疲惫造成的人为误差以及仪器误差。
6 课后思考题
（1） 若置于两个偏振片之间的不是1/4玻片，试
分析线偏振光经过玻片后的偏振状态
答：当线偏振光垂直经过半玻片或全玻片后，仍为线偏振光。当玻片的厚度使o 光和e 光之间产生的光程差为四分之一波长或其基数倍，二分之一波长或其基数倍和波长或其整数倍以外的其他任意值时，线偏振光垂直通过玻片后一般产生椭圆偏振光
（2） 实验中观测线偏振光，椭圆偏振光，圆偏振
光时，检偏器P 2转过的角度与式中φ有何关系？ 答：P 2与1/4玻片之间的夹角为φ。
（3） 如何用两个偏振片和一个1/4玻片正确区
分自然光、部分偏振光、线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光？ 答：如本实验过程中一样放置偏振片和玻片。 用1/4波晶片和检偏器（转动） ：
对于非偏光（自然光）各方向光强不变。
对于圆偏光出现消光现象。
对于部分偏光仍出现极大和极小现象。 对于椭圆偏光，当把1/4波晶片的快慢轴放在光强极大位置时出现消光现象。
7 实验结论
振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。 光偏振的应用：
1. 在摄影镜头前加上偏振镜消除反光 2. 摄影时控制天空亮度，使蓝天变暗 3. 使用偏振镜看立体电影
4. 汽车使用偏振片防止夜晚对面车灯晃眼
8 实验心得
光偏振的应用在我们的生活中应用及其广泛。只有掌握好光偏振的各种特点和性质才能更好的解释我们生活中的物理现象和物理应用。 虽然本实验在操作过程中比较简单，但后期处理比较繁杂。应用到了Ｍatlab 数学应用软件绘制一元线性回归图并处理相应数据，并且绘制出圆偏振光与角度的关系图，简洁，形象，让人一目了然。我们应该用各种软件帮助我们处理和分析物理实验以得到最好的结果。
实验结果与理论值有一定程度的误差。这就是为什么我们应该分析实验误差。从而使下一次的实验尽可能排除其他影响因素，以得到更接近理论值的数据。这也是实验与理论的不同之一。
同时，通过本地实验更加了解了光偏振现象，直观地认识了光的五种偏振态。为以后的学习打好了基础。
参考文献
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 [发表或更新日期/引用日
光偏振实验报告
宋柯佳
（北京邮电大学，2011211119班，2011210566）
摘 要：概括地陈述论文研究的目的、方法、结果、结论。论文介绍了光的偏振现象，并且给出了常用的起偏振和检偏振方法。通过实验数据给出了圆偏振和椭圆偏振的实验现象和产生方法。实验通过光功率计的示数显示光通过偏振片后的强度，验证了马吕斯定律。通过改变两个偏振片的角度和四分之一玻片，产生了椭圆偏振光和圆偏振光。光的偏振性证明了光是横波，人们通过对光的偏振性质的研究，更深刻地认识了光的传播规律和光与物质的相互作用规律。
关键词：光偏振；马吕斯定律；起偏振；检偏振 中图分类号：（作者本人填写） 文献标识码：A
Optical polarization test report
Song Kejia
( Beijing University of Posts and Telecommunications)
Abstract ： This paper introduces the phenomenon of polarization of the light, and gives thecommonly used methods polarizer and an
analyzer. Through experimental
data showscircular
polarization and elliptical
polarization experimental phenomena and methods of production. Through the power meter shows the number of experiments show the strength of the light through a polarizer after verified Malus law. By changing the angle of the polarizer and a quarter two slides, produce elliptical polarized light and circularly polarized light. Polarization of the light wave alone proved, people
through the
polarizationproperties
of light, a
deeper
understanding of
light propagation and light-matterinteraction law
Keywords: Optical polarization；Malus law；Polarizing ；An analyzer
引言
光是电磁波，可用两个相互垂直的振动矢量—
正文 1实验原理
1．1 光的偏振态
光波有5种偏振态，分别是：线偏振，圆
偏振，椭圆偏振，自然光和部分偏振光。 1．2布儒斯特角
当光线以角度θB = arctan (n1/n2)
n 1入射时，P 光的反射率为0，这样反射光为线偏振光。当光线以θB 入射到波片堆上，经过多次反射透射后，得到的光是部分偏振光。
1．3 偏振片
当光的电矢量与晶体的光轴平行时，光被晶体吸收的较少，而电矢量与光轴垂直时，
—电矢量E 和磁矢量H 表征。因物质与电矢量的作用大于对磁矢量的作用，习惯上称E 矢量为光矢量，代表光振动。
光在传播过程中遇到介质发生反射、折射、双折射或通过二向色性物质时，本来具有随机性的光振动状态就会起变化，发生各种偏振现象。若光振动局限在垂直于传播方向的平面内，就形成平面偏振光，因其电矢量末端的轨迹成一直线，通称线偏振光；若只是有较多的电矢量取向于某固定方向，称作部分偏振光。再者，如果一种偏振光的电矢量随时间作有规律的变动，它的末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆形，这种偏振光就是椭圆偏振光或圆偏振光。 实验日期：2013-05-19
作者简介：宋柯佳(1993), 女，学生，本科，[email protected]
光被吸收的较多。
当平面偏振光同过1/4波片后，产生偏振光的性质与φ相关：
1．4 波晶片
φ= 0°时：出射光为振动方向平行1/4波片光轴的平面偏振光。 单轴晶体内部，光被分成偏振方向不同的两
φ= 90°时：出射光为振动方向垂直1/4波片光轴束，他们的折射率不同。这样，若光沿垂直
的平面偏振光。
光轴并且同时刚好垂直晶体表面方向入射时，
φ= 45° 时：出射光为圆偏振光。
两束光的方向都不变，但是他们的相位却出
φ为其他值时，出射光为椭圆偏振光。
现了不同。波晶片常用的有λ/2和λ/4两种。分别指两个偏振方向的光的光程差
2 观察半导体激光光强随检偏器转过角度的变化
最大光强：2.82 检偏器角度：277° 最小光强：0.05 检偏器角度：187°
3 验证马吕斯定律
按照马吕斯定律，强度为I 0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为： I = I0 cos2 θ θ为入射偏振光的偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角，显然当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度I 将发生周期性变化。当 θ=0 时，透射光强最大；当 θ=90 时，透射光强为极小值（消光状态），当 θ
Θ（°）
90 80 70 60 50 40 30 20 10 光强I
0.1
0.3
0.60.91.21.51.71. 3
2
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由图可以看出，光强和角度的关系满足马吕斯定律。光电流强度与角度余弦值的平方成线形关系
4 用极坐标做出不同偏振装填偏振光的相对光强分布图
波片的角度φ 0° 20° 45°
检偏器角度φ
功率计读数I （） 0° 0.00 0.24 0.64 10° 0.06 0.17 0.64 20° 0.20 0.15 0.63 30° 0.38 0.19 0.62 40° 0.57 0.27 0.61 50° 0.78 0.38 0.61 60° 0.94 0.52 0.60 70° 1.07 0.66 0.59 80° 1.15 0.79 0.58 90° 1.16 0.92 0.57 100° 1.15 1.02 0.56 110° 1.07 1.03 0.56 120° 0.96 1.00 0.58 130° 0.79 0.91 0.58 140° 0.58 0.78 0.60 150° 0.38 0.64 0.62 160° 0.20 0.50 0.63 170°
0.06
0.36
0.64
波片的角度φ 0°
20°
45°
检偏器角度φ
功率计读数I （） 180° 0.00 0.25 0.64 190° 0.06 0.19 0.64 200° 0.19 0.16 0.63 210° 0.36 0.20 0.62 220° 0.54 0.27 0.61 230° 0.73 0.39 0.61 240° 0.94 0.54 0.60 250° 1.05 0.67 0.59 260° 1.15 0.81 0.57 270°
1.16 0.92 0.56 280° 1.15 1.01 0.56 290° 1.09 1.04 0.57 300° 0.98 1.00 0.58 310° 0.78 0.91 0.60 320° 0.58 0.79 0.61 330°
0.39 0.64 0.64 340° 0.20 0.50 0.62 350°
0.06
0.35
0.63
对照极坐标图，可以得出同样结论。
将1/4波片转20度与转40度时的图像进行比较：可知45度时光电流强度的最大值较小，最小值较大，最大值与最小值之差减小了。而且45度与20度时产生极值的角度值发生了变化。这些都是由于1/4波片角度发生了改变，使合成的偏振状态也发生了改变。
5 实验误差分析
1〃实验中获得的数据与理想情况还是有一定的误差。因为在实验室中，许多组实验在同时进行，光是很敏感的，自己的仪器受其他实验产生的光的影响还是很大的。我们在实验尽量挡住其他方向来的光，这样使实验结果趋于理想
2〃关于实验中零点的取值：我们在实验中发现有连续的好几个数据点的值都是0，这样就不好选取0点，所以就大致取中间的一个数据点作为0点，最后统计数据时发现有时这个0点的选取还是有偏差的
3〃读取多组数据时候会有读数疲惫造成的人为误差以及仪器误差。
6 课后思考题
（1） 若置于两个偏振片之间的不是1/4玻片，试
分析线偏振光经过玻片后的偏振状态
答：当线偏振光垂直经过半玻片或全玻片后，仍为线偏振光。当玻片的厚度使o 光和e 光之间产生的光程差为四分之一波长或其基数倍，二分之一波长或其基数倍和波长或其整数倍以外的其他任意值时，线偏振光垂直通过玻片后一般产生椭圆偏振光
（2） 实验中观测线偏振光，椭圆偏振光，圆偏振
光时，检偏器P 2转过的角度与式中φ有何关系？ 答：P 2与1/4玻片之间的夹角为φ。
（3） 如何用两个偏振片和一个1/4玻片正确区
分自然光、部分偏振光、线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光？ 答：如本实验过程中一样放置偏振片和玻片。 用1/4波晶片和检偏器（转动） ：
对于非偏光（自然光）各方向光强不变。
对于圆偏光出现消光现象。
对于部分偏光仍出现极大和极小现象。 对于椭圆偏光，当把1/4波晶片的快慢轴放在光强极大位置时出现消光现象。
7 实验结论
振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。 光偏振的应用：
1. 在摄影镜头前加上偏振镜消除反光 2. 摄影时控制天空亮度，使蓝天变暗 3. 使用偏振镜看立体电影
4. 汽车使用偏振片防止夜晚对面车灯晃眼
8 实验心得
光偏振的应用在我们的生活中应用及其广泛。只有掌握好光偏振的各种特点和性质才能更好的解释我们生活中的物理现象和物理应用。 虽然本实验在操作过程中比较简单，但后期处理比较繁杂。应用到了Ｍatlab 数学应用软件绘制一元线性回归图并处理相应数据，并且绘制出圆偏振光与角度的关系图，简洁，形象，让人一目了然。我们应该用各种软件帮助我们处理和分析物理实验以得到最好的结果。
实验结果与理论值有一定程度的误差。这就是为什么我们应该分析实验误差。从而使下一次的实验尽可能排除其他影响因素，以得到更接近理论值的数据。这也是实验与理论的不同之一。
同时，通过本地实验更加了解了光偏振现象，直观地认识了光的五种偏振态。为以后的学习打好了基础。
参考文献
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 [发表或更新日期/引用日