实验题目：偏振光的研究
实验者：PB08210426 李亚韬
实验目的：掌握分光计的工作原理，熟悉偏振光的原理和性质。验证马吕斯定律，并根据
布儒斯特定律测定介质的折射率。
实验原理：
为了研究光的偏振态和利用光的偏振特性进行各种分析和测量工作，需要各种偏振元件：产生偏振光的元件、改变光的偏振态的元件等，下面分类介绍。 1
产生偏振光的元件
在激光器发明之前，一般的自然光源产生的光都是非偏振光，因此要产生偏振光都要使用产生偏振光的元件。根据这些元件在实验中的作用，分为起偏器和检偏器。起偏器是将自然光变成线偏振光的元件，检偏器是用于鉴别光的偏振态的元件。在激光器谐振腔中可以利用布儒斯特角使输出的激光束是线偏振光。
将自然光变成偏振光的方法有很多，一个方法是利用光在界面反射和透射时光的偏振现象。我们的先人在很早就已经对水平面的反射光有所研究，但定量的研究最早在1815年由布儒斯特完成。反射光中的垂直于入射面的光振动（称s分量）多于平行于入射面的光振动（称p 分量）；而透射光则正好相反。在改变入射角的时候，出现了一个特殊的现象，即入射角为一特定值时，反射光成为完全线偏振光（s分量）。折射光为部分偏振光，而且此时的反射光线和折射光线垂直，这种现象称之为布儒斯特定律。该方法是可以获得线偏振光的方法
之一。如图1所示。因为此时
i0????2 ，n1sini0?n2sin?，
tgi0?sini0sini0n2??cosi0sin?n1，若n1=1（为空气的折射率），则
n2?tgi0 （1）
i0叫做布儒斯特角，所以通过测量布儒斯特角的大小可以测量介质的折射率。
由以上介绍可以知道利用反射可以产生偏振光，同样利用透射（多次透射）也可以产
生偏振光（玻璃堆）。第二种是光学棱镜，如尼科耳棱镜、格兰棱镜等，它是利用晶体的双折射的原理制成的。在晶体中存在一个特殊的方向（光轴方向），当光束沿着这个方向传播时，光束不分裂，光束偏离这个方向传播时，光束将分裂为两束，其中一束光遵守折射定律叫做寻常光（o光），另一束光一般不遵守折射定律叫做非寻常光（e光）。o光和e光都是线偏振光（也叫完全偏振光），两者的光矢量的振动方向（在一般使用状态下）互相垂直。改变射向晶体的入射光线的方向可以找到光轴方向，沿着这个方向，o光和e光的传播速度相等，折射率相同。晶体可以有一个光轴，叫做单轴晶体，如方解石、石英，也可以有两个光轴，叫双轴晶体，如云母、硫磺等。包含光轴和任一光线的平面叫对应于该光线的主平面，o光电矢量的振动方向垂直于o光主平面，e光电矢量的振动方向平行于e光主平面。
格兰棱镜由两块方解石直角棱镜构成，两棱镜间有空气间隙，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。
第三种是偏振片，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。它的偏振性能不如格兰棱镜，但优点是价格便宜，且可以得到大面积的。本实验中采用偏振片作为起偏器和检偏器。
2. 波晶片：
又称位相延迟片，是改变光的偏振态的元件。它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（所以折射率也就不同），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光延迟量为，
??2??(no?ne)d (2)
若满足
(ne?no)d?m???/4，即
??2m???2我们称之为?/4片，若满足
(ne?no)d?m???/2，即??2m???，我们称之为?/2片，若满足(ne?no)d?m???，即??2m??2?我们称之为全波片（m为整数）。
波晶片可以用来检验和改变光的偏振态，如图4所示，在起偏器后加上一个?/4波片，旋转起偏器或?/4波片就可以得到园或者椭圆偏振光[细节和方法参见文献2、3]。?/4波片是椭偏仪中的重要元件，而椭偏仪可以精确测量薄膜的厚度和折射率，是材料科学研究中常用的精密仪器。
偏振光的研究从马吕斯定律开始，马吕斯定律也是最基本和最重要的偏振定律。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
I?I0cos2? （3）
其中的E是检偏器的偏振方向和起偏器偏振方向的夹角。 实验仪器：
1、.半导体激光器（波长650nm）2、起偏器、3、检偏器、4、分光计和数字式检流
计。
实验过程及数据处理与分析：
1、仪器调节：
（1）首先利用双平面镜调节放半导体激光器的光管（以下简称管1）使其与仪器的旋转主轴垂直（也就是说与度盘平面平行），同时使分光计载物台与度盘平面平行。 （2） 检查输出信号是否与数字检流计接好，检流计量程选择1档开关放在1档，调节零点旋钮，使数据显示为“-.000”（负号闪烁）。
2、测量半导体激光器的偏振度
在管1上套上起偏器P1，将量程选择4档开关打到第4档，（将起偏器竖直方向调到0?），旋转起偏器找到光强最强的位置，记录角度和光强值Imax。再将起偏器旋转90?，记录角度和光强值Imin。根据公式计算激光的偏振度P：
I?Ip?maxminImax?Imin （4）
Imin = 1.2 Imax = 145.9
则由（4）式可计算得：
P=0.983
3、验证马吕斯定律
检流计仍放在4档，在测量过程中也不要换档。将起偏器放在光强最强的位置，在管2
另一端套上检偏器P2并使竖直方向为0?。然后旋转检偏器P2使检流计的光强最小（仍在4档可以调为0）。此时可以认为P1 与P2偏振方向的夹角为90?，记录此时P2偏振方向的绝对角度值?、相对角度值?和光强值I，以后每隔10?记录一次，直到P1 与P2偏振方向的夹角为
2
-90?，I0为 P1 与P2偏振方向的夹角为0?时的光强值，作出I/I0?cos?的关系曲线
（0??90?，0??-90?各一条，用最小二乘法求出斜率和截距，根据马吕斯定律斜率应为1，截距应为0，分析实验的误差）。
1) -90~0
Theta -90 -85 -80 -75 -70 -65 Ip 0 2 6.4 13.2 22 32.2 Cos^2 1.06939E-26 0.0076 0.03015 0.06699 0.11698 0.17861 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
44.6 57.6 71.1 85.3 100 113 126 137.6 146.8 154.6 160.2 163.3 164 0.25 0.32899 0.41318 0.5 0.58682 0.67101 0.75 0.82139 0.88302 0.93301 0.96985 0.9924 1 用Origin线性拟合并分析误差：
2) 0~90
Theta 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Ip 164 161.8 157.1 150.1 141.3 130.2 118.1 104.4 90 Cos^2 1 0.9924 0.96985 0.93301 0.88302 0.82139 0.75 0.67101 0.58682
偏振光实验报告
