本文格式為Word版，下載可任意編輯——偏振光的觀測與分析試驗講義（內容有變更，請參考附件）試驗講義北京方式科技.

偏振光試驗（初稿）

試驗目的：

測量通過起偏器、1/4波片后的光的偏振特性，了解線偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光的特點。

試驗儀器

北京方式偏振光試驗儀

試驗原理：

1、偏振光

光是一種橫波，它的振動方向是與傳播方向相互垂直的。偏振是指光波的振動方向在空間上的一種相對取向的現象。當這個振動方向在垂直于傳播方向的平面內可取所有可能的方向，并且沒有一個方向占優勢時，我們稱之為自然光或非偏振光。而假使有某一個方向上的振動占優勢時，則稱之為部分偏振光。只有一個單一的振動方向的光叫線偏振光，而在一個振動周期內其振動矢量端點的軌跡為一個圓或橢圓時，我們稱之為圓偏振光或橢圓偏振光。

在我們日常生活和工作中，太陽光、照明用光一般多為自然光。而自然光經過一些材料的反射和透射后可能變成部分偏振光。自然光經過一些特別材料，如偏振片或雙折射晶體材料制作的棱鏡后，就會變成線偏振光，一些激光器也可產生很好的線偏振光。線偏振光經過波片后又可能成為橢圓偏振光。

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在本試驗中，我們將通過多種試驗手段來產生線偏振光和橢圓偏振光（其實線偏振光和圓偏振光都可看成是橢圓偏振光的一個特例）。偏振光的數學描述：

對于線偏振光和橢圓偏振光，在數字上我們常用兩個相互垂直振動的合成來描述。在垂直于光傳播方向的平面內取一個直角坐標系，將代表振動特性的電矢量E分解成Ex和Ey，它們是同頻ω，假設相位相差δ，振幅分別為Ex和Ey，即Ex=AxCosωtEy=AyCos（ωt＋δ）消去t，上式可變成

EX2/AX2+EY2/AY2-2EXEY/AXAYCOSδ=SIN2δ這是一個橢圓的方程

當δ=0或π時，sinδ=0cosδ=1上式為

EX2/AX2+EY2/AY2±2EXEY/AXAY=0EX=±AXEY/AY

這是一個線性方程：斜率為±AX/AY，振幅為（AX2+AY2）1/2它代表一束線偏振光

當δ=±π/2時，sin2δ=1cosδ=0，橢圓方程變為：EX2/AX2+EY2/AY2=1這是一個標準的橢圓方程，其主軸在X、Y方向。當AX=AY時，就是一個圓的方程，代表一個圓偏振光。

垂直合成分析法與我們在力學的分析中所用到的力的合成與分解有

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些相像，這種分析方法在偏振光的分析中十分實用和有效，下面我們用該方法來分析波片的作用。波片

波片是一種采用具有雙折射現象的材料（如方解石晶體，石英晶體等）按一定技術要求加工而成的光學元件。這種材料具有這樣一種光學特性：當一束光進入這種材料時可能會分成兩束，這兩束光的傳播方向、振動方向和速度將有所不同，一束符合我們所知道的折射定律，如垂直入射時光束方向不變，但另一束卻不符合這個規律。我們分別將這兩束光稱為O光和E光，對應的折射率分別為no和ne。在這種晶體中還存在一個特定的方向，當光從這個方向上進入材料時不會分成兩束，符合一般的折射定律，這個特別的方向就是材料的光軸方向。波片在加工時，將使通光表面平行于光軸，即入射光將垂直于光軸進入波片。下面我們來看一下，一束線偏振光經過這樣一個波片會發生什么狀況。

現在假設一束線偏振光以偏振方向同波片光軸成θ角的狀態垂直入射于波片。這時會發生一種比較特別的雙折射現象，即O光和E光傳播方向一致，但傳播速度不同，設入射光的振幅為A，用垂直合成的方法，將進入波片的光按光軸平行和垂直的兩個方向分解成Ex和Ey，則：Ex=AcosθCosωt

Ey=ASinθCos（ωt＋δ）其中δ為由于光速不同而產生的相位差。

當光經過波片，出射后，兩束光合成在一起，速度一致，根據上面的分析，我們將得到一束橢圓偏振光，

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AX=AcosθAY=ASinθ

而此時的相位差δ是由于O光、E光在雙折射材料中的速度（或波長）不同造成的。假使我們使波片的厚度正好產生900相位差（相當于1/4個波長），并使θ=450則有EX2+EY2=A2/2這是一個圓的方程。

可產生900相位差的波片，我們稱之為四分之一波片。

由以上分析可見，當我們使一束線偏振光經過波片時，我們可以得到一束橢圓偏振光。而經過一個1/4波片，且光軸方向與偏振方向恰好成450角時，我們可以得到一個圓偏振光。

馬呂斯定律

起偏器

檢偏器

線偏振光（偏振方向與

.自然光...線偏振光檢偏器透振方向一致）

透振方向

圖2偏振器

起偏器和檢偏器一般總是協同使用的。旋轉檢偏器，改變其透振方向，可以觀測到入射光線的強度變化。

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馬呂斯定律定量描述了光線經過偏振器前后的強度關系，可以表述為：

當自然光入射到起偏器P1，其出射的線偏振光光強度為I1，再經過檢偏器P2后的出射光強度為I2，若P1、P2的透振方向夾角為α，則有：I2=I1·cosα（未考慮P2的吸收）

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試驗設備：

北京方式偏振光試驗儀，包括光學試驗導軌、滑塊、半導體激光器、光學轉臺，轉接桿和光功率計等。儀器示意圖如圖1。

半導體激光器偏振片1/4波片光學轉動平臺偏振片功率計探頭圖1北京方式偏振光試驗儀試驗內容和步驟1，驗證馬呂斯定律

1。1在導軌兩端分別安裝半導體激光器和功率計探頭，使激光束等高進入功率計探頭的6毫米光闌孔。

1。2，靠近激光器參與一個偏振片，將功率計探頭接入功率計。1。3，功率計清零：關閉激光器，調理功率計調零旋鈕使功率計讀數為零。

1。4開啟激光器，轉動偏振片，觀測功率計上讀數，中止在一個

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小于1的較大的讀數上（可選適當檔位）。

1。4，靠近功率計探頭處參與另一個偏振片，作為檢偏器用，轉動檢偏器，當功率計讀數恰好出現零時停住。記錄檢偏器上實測角度和功率計讀數。

1。5，沿同一方向轉動檢偏器，每轉15度記錄功率計讀數。2，觀測光的偏振特性

2。1，轉動檢偏器使重新使系統進入功率計讀數為零的消光狀態，在起偏器和檢偏器之間插入1/4波片。此時系統將可能有光通過。轉動1/4波片，使系統重新進入消光狀態。此時1/4波片的光軸與起偏器的偏振方向平行。

2。2，轉動1/4波片15度，記錄功率計讀數和檢偏器角度后，轉動

檢偏器360度，記錄其中功率計極值讀數和對應的檢偏器實測角度。2。3，沿同一方向以每次15度的間隔轉動1/4波片，重復2。2的操作。

3數據處理

3。1，將記錄的實測角度分別減去W（W=I90-第一個實測角度I的絕對值）后填入表中“換算角度〞欄，即功率計讀數為0時，檢偏器和起偏器的通光方向相互垂直。

3.2，驗證馬呂斯定律，在坐標紙上畫出馬呂斯定律的理論曲線和實測值的擬合曲線，作出比較和探討。

3.3，判斷偏振光的類型，將表2數據畫到同一坐標紙中，用表9的標準判斷1/4波片轉動不同實測角度時的出射光的偏振狀態并作出

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探討。

表1驗證馬呂斯定律數據記錄表

12345678910實測+30+60+90+135+180+225+270+315+345角度換算9012015018022527031504575角度實測能量值理論能量值

表21/4波片消光位置偏振光特性數據記錄表

波片初始位置第一極值其次極值第三極值第四極值偏振類型位置角度/功率角度/功率角度/功率角度/功率角度/功率消光+15+30+45+60+75+90

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6北京方式科技.

表3光偏振檢驗表

偏振光的檢驗令入射光順序通過起偏器、1/4波片、檢偏器，改變檢偏器的透振方向，觀測透射光強的變化現象結論強度有變化，有消光線偏振強度無變化，無消光圓偏振強度有變化，無消光橢圓偏振

附：激光功率計使用說明書

OPT-1A型激光功率指示計是一種數字顯示的光功率測量儀器，采用硅光電池作為光傳感器，針對650nm波長的激光進行了標定，用于測量該波段的激光功率。如圖：前面板

1、表頭：3位半數字表頭，用于顯示光強的大小。

2、量程選擇鈕：分為200uW、2mW、20mW、200mW四個標定量程和可調

檔；測量時盡量采用適合的量程，如測得的光強為1.732mW，則采用2mW量程。可調檔顯示的是光強的相對值。

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3、調零：調零時應遮斷光源，旋動調零旋鈕，使顯示為零，調零完

畢。后面板

探頭

探頭12檔光欄盤

說明：

1、該光探頭在硅光電池前加上一多結構光欄，可用于光斑定位，光強分布、光斑結構測量等。

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2、結構分別為圓孔和細縫；圓孔直徑為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、6.0mm，縫寬0.2、0.3、0.4、0.8、1.2mm。

3、在使用時，用此探頭與OPT-1A型激光功率指示計連接即可，用戶根據實際測量需要，采用相應的采光檔位（硅光電池置于光欄正上方）。

1、2、

電源開關按鈕：電源開關（220VAC）。

LD插座：本功率指示計可作為我公司生產的半導體激光器的

電源。

3、4、

光探頭插座：與光探頭相連接。

探頭：內置硅光電池，與光探頭插座相連接。

使用方法：

1）連接好激光探頭和220v電源（均在后面板上）2）開啟后面板上的電源開關，數值表頭亮

3）將激光探頭對準被測的激光束，使光束進入測量孔。

4）根據光功率的大小選擇適當的量程。量程刻度上的值為該量程可測量的最大值，如200μW是指該檔最大測量200μW的激光功率，單位為微瓦，當光功率大于該檔最大指示值時，表頭溢出顯示“1〞。

5）儀器量程分為200μW、2mW、20mW、200mW和可調檔5