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1、 偏振光的定量分析 摘要：本实验利用 GSZF-3型偏振光试验系统，对有关偏振光的问题进行定量分析。并利用计算机软件对偏采集的光强进行分析处理，验证不同偏振光的特点，验证马吕斯定律。关键词：偏振光 马吕斯定律 定量分析 引言：光的偏振特性研究是人们进一步认识和研究光学现象的重要基础，而研究的主要内容就是观察在于对各种偏振光进行定量直观的研究，和对马吕斯定律的验证。由于传统的数据处理方式误差较大，难以达到精确研究的目的计算机软件独特的功能和简单的使用方法得到了大众的青睐。故而本实验通过计算机软件进行对偏振光特性的研究和马吕斯定律的验证。实验原理 1、仪器 本实验系统如上图所示。本系统采用 He-
2、Ne激光器作光源，激光垂直通过格兰棱镜（起偏器）产生线偏振光，线偏振光再经过另一个格兰棱镜（检偏器），根据需要可在两偏振器间插入波片。由检偏器透射的光照射在光电探测器上，将光强信号转换成电信号，通过电控箱中的调理电路（放大、整形）、AD 转换电路（将模拟量转变为数字量）、接口电路（实现与计算机间的通讯）与微机相联，实现在微机上显视采集的数据并作图。另外格兰棱镜安装在带有步进马达的支架上，马达通过电控箱由微机控制，所有光学器件通过磁性千分座固定在光学平台上。2、原理 线偏振光 当自然光通过起偏器后，由于只有电矢量振动方向平行于透射轴的光可以通过，所以，由起偏器出射的光为线偏振光。判断其是否为线偏
3、振光，只要让该偏振光通过一个检偏器，当转动检偏器改变其透振轴与线偏振光的振动方向之间的夹角时，出射的光强随之改变。当透振轴与线偏振光的振动方向平行时，出射的光强最大；而垂直于线偏振光的振动方向时，出射的光强为零。如果检偏器转动一周，光强交替出现两次最亮和两次消光，则可判断其为线偏振光。这些规律可用公式表述如下：（1）式中，为检偏器透振方向与线偏振光振动方向之间的夹角，E、I分别为出射光的振幅和光强，E0、I0分别为线偏振光的振幅和光强。显然出射光线光强随角度的变化成余弦曲线的规律变化，周期为。出射光满足 Malus定律 （2）以相对能量I/I0为纵坐标，cos2为横坐标，从 00到 900变化
4、时将形成一条直线，由此也可验证线偏振光。圆偏振光 产生圆偏振光的前提是先得到线偏振光，然后让线偏振光垂直入射到波片，如果线偏振光的振动方向与的快轴和慢轴成450角，这时透过片的光是圆偏振光。线偏振光表示为 （3）经过片快轴方向（即 Y 方向）相位超前，所以出射光为 （4）当时，这正是圆偏振光。它透过检偏器的两振动分量为 （5）合振动为 观察时间内光强的平均值为 （6）故圆偏振光透过检偏器后，出射光强恒定不变，且为线偏振光的 1/2。椭圆偏振光 产生椭圆偏振光的前提同样是先得到线偏振光，然后让线偏振光垂直入射到波片，如果线偏振光的振动方向与波片的快轴和慢轴不成450、00和900角，这时透过波片
5、的光是椭圆偏振光。讨论与圆偏振光类似，只需使（4）式中不等于 450、00和 900角即可。它经过检偏器后，透过检偏器的两振动分量同样为（5）式。观察时间内光强的平均值为（7）为检偏器透振方向与波片慢轴的夹角，随检偏器的转动而连续变化。实验内容 1、光路调节。将激光器、两个格兰棱镜、探测器依次摆放在光学平台上，先调激光器使激光束平行台面，然后调节各器件使通光孔共线，同时使各光学镜面与光线垂直。调节方法：（a）使所有反射光点与入射光重合（b）通过线偏振光透过检偏器光强与检偏器转角间的关系曲线检查光路是否已调好。（c）由于起偏器、检偏器都没有调节俯仰角的自由度，可以利用在基座上垫纸的方法调整俯仰角
6、。2、观察并记录线偏振光透过检偏器光强与检偏器转角间的关系曲线（直角坐标和极坐标两种），验证马吕斯定律。3、获得圆偏振光，观察并记录圆偏振光透过检偏器光强与检偏器转角间的关系曲线（直角坐标和极坐标两种）。4、改变波片光轴与线偏振光的夹角，得到不同的椭圆偏振光；在直角坐标和极坐标两种坐标系中，分别观察记录各种椭圆偏振光透过检偏器光强与检偏器转角间的关系曲线。5、分析实验中出现的问题及解决办法，对照曲线，定量讨论三类偏振光的基本特性。实验结果分析 线偏振光 1、下图为线偏振光直角坐标系曲线 （a）在图中可以看到，曲线与横轴上有一条交线，说明光强最弱部分有一段数据丢失。（b）曲线在波峰上会出现一定幅
7、度的畸变，一方面是由于光源带来，另一方面是由于起偏器、检偏器的玻片透射率的不均匀带来。（c）图中两个波峰不完全等高，是由于相角有较大变化时，转动平面与玻片平面不平行，导致一些光的高次反射光未能被接收器接受所致。2、下图为线偏振光极坐标系曲线 如图，在极坐标系下仍可以看出波峰畸变和波峰不完全等高的问题。3、马吕斯定律 下图为将极坐标系下曲线对照马吕斯图后的结果 （a）整体上，实验所得曲线符合马吕斯公示（b）只有在起点和终点，实验曲线与标准值的接近程度最高。原因是随着电机转动相角的增大，高阶反射光逐渐偏出接收器，造成光强丢失，直到相角转过一个周期，入射光、玻片才恢复原本的关系。椭圆偏振光 1、下图
8、为玻片旋转 5时的实验曲线（直角坐标系和极坐标系）2、下图为玻片旋转 15时的实验曲线（直角坐标系和极坐标系）3、下图为玻片旋转 30时的实验曲线（直角坐标系和极坐标系）（a）由图可以看出，对于椭圆偏振光，光强为零的相位不存在。且在以上三组图片中，随着玻片转动角度的增大，光强的最小值也随之增大。（b）直角坐标系下和极坐标下得到的实验曲线均不是标准的平滑曲线，依然存在一定程度的畸变，这是由于两偏振片不平行导致的光强丢失造成的。圆偏振光 下图为圆偏振光（玻片旋转 45）实验曲线（直角坐标系和极坐标系）由图可以看出，实验所得直角坐标系下的曲线不是标准的直线，极坐标下的曲线也不是标准的圆，实验曲线存在
9、一定程度的畸变，但是大体上还是呈现圆偏振特性。实验结论 1、实验通过实际光学操作和计算机采样处理数据，验证了线偏振光的马吕斯公式和椭圆偏振光、圆偏振光的振幅-相位特性，基本达到实验目的。2、由于实验仪器玻片和电机的多种问题，导致实验曲线受到诸多干扰，产生一定程度的畸变，但基本能够验证不同偏振光的特点，得出正确结论。参考文献 1、偏振光的定量分析-武汉大学 大学物理实验 精品课程 http:/ 2、竺江峰，芦立娟.大学物理试验M.北京：中国科学技术出版社，2005.200-203.3、赵近芳主编.大学物理简明教程M.北京邮电大学出版社，2008.7.Abstract：In this experiment,we conduct quantitative analysis of the issues related to polarized light,during which we use a computerized system to analyze the data to check the validity of the basic theories of light polarization.Keywords：polarized light Malus law quantitative analysis