文章导航
大二上大物实验下仿真报告存档
一、实验简介
光的偏振是指光的振动方向不变，或电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆的现象.光的偏振最早是牛顿在1704～1706年间引入光学的；光的偏振这一术语是马吕斯在1809年首先提出的，并在实验室发现了光的偏振现象;麦克斯韦在1865~1873年间建立了光的电磁理论,从本质上说明了光的偏振现象 .按电磁波理论,光是横波，它的振动方向和光的传播方向垂直.自然光是各方向的振幅相同的光，对自然光而言，它的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内可取所有可能的方向，没有一个方向占有优势.若把所有方向的光振动都分解到相互垂直的两个方向上，则在这两个方向上的振动能量和振幅都相等.线偏振光是在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿一个固定方向振动.
部分偏振光可以看作自然光和线偏振光混合而成，即它有某个方向的振幅占优势。圆偏振光和椭圆偏振光是光矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈圆或椭圆。起偏器是将非偏振光变成线偏振光的器件；检偏器是用于鉴别光的偏振光状态的器件. 利用光的偏振现象在物理学方面可测量材料的厚度和折射率，可以了解材料的微观结构。利用偏振光的干涉现象在力学上检测材料压力分布，应用于建筑工程学方面可以检测桥梁和水坝的安全度。
二、实验原理
1．偏振光的概念和产生：
2. 改变偏振态的方法和器件：
常见的起偏或检偏的元件构成有两种：
1.光学棱镜：如尼科耳棱镜、格兰棱镜等，它是利用光学双折射的原理制成的；
2.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.
马吕斯定律：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I1 = I0 cos2α，其中的a是检偏器的偏振方向和入射线偏振光的光矢量振动方向的夹角：
3．波晶片：又称位相延迟片，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光多延迟了Δ=2π(n0-n1)d/λ，若满足(ne-no)d=±λ/4，即Δ=±π/2我们称之为λ/4片，若满足(ne-no)d=±λ/2，即Δ=±π，我们称之为λ/2片，若满足(ne-no)d=±λ，即Δ=2π我们称之为全波片。
3．借助检偏器和λ/4波晶片检验光的5种偏振态：
只用检偏器（转动）：
对于线偏光可以出现极大和消光现象。
对于椭圆偏光和部分偏光可以出现极大和极小现象。
对于圆偏光和非偏光各方向光强不变。
用λ/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（原因）。
对于部分偏光仍出现极大和极小现象。
对于椭圆偏光，当把λ/4波晶片的快慢轴放在光强极大位置时出现消光现象（原因）。
检验偏振光的光路
三、实验仪器
偏振光观察与研究的实验装置包括一下几个部分：
光源（可发出多种类型激光）
偏振片
波晶片（λ/2和λ/4波长）
光屏
光源：
双击实验桌上光源小图标弹出光源的调节窗体。单击调节窗体的光源开关可以切换光源开关状态；可以选择光源发出光的类型，包括自然光、椭圆偏振光、圆偏振光、线偏振光、部分偏振光。光源默认发出是自然光。
(光源的实物照片)
（实验中的光源）
偏振片：
双击桌面上偏振片小图标，弹出偏振片的调节窗体。初始化时偏振片的旋转角度是随机的，用户使用时需要手动去校准。最大旋转范围为360°，最小刻度为1°。可以通过点击调节窗体中旋钮来逆时针或顺时针旋转偏振片。
：表示顺时针旋转；
：表示逆时针旋转。旋转的最小刻度单位为1°。当鼠标按住选择不放，则偏振片则会不停的旋转，直到鼠标松开。
（偏振片的实物照片）
（实验中的偏振片）
（实验中放大的偏振片读数盘）
波晶片：
分为λ/2λ和λ/4波长波晶片，双击桌面上波晶片小图标，弹出波晶片的调节窗体。初始化时波晶片的旋转角度是随机的，用户使用时需要手动去校准。最大旋转范围为360°，最小刻度为1°。可以通过点击调节窗体中旋钮来逆时针或顺时针旋转偏振片。
：表示顺时针旋转；
：表示逆时针旋转。旋转的最小刻度单位为1°。当鼠标按住选择不放，则偏振片则会不停的旋转，直到鼠标松开。
（波晶片的实物照片）
（实验中的波晶片）
（实验中放大的波晶片读数盘）
光屏：
双击实验桌上光屏小图标弹出光屏的调节窗体。可以显示光圈，此光圈会根据光源、偏振片已经波晶片之间关系自动调节亮度。并且可以读出当前光强值(最大值为100)。
（光屏的实物照片）
（实验中的光屏）
（实验中光屏的正面图）
四、实验内容
1. 研究λ/4波片对偏振光的影响：
本实验所用仪器有：光源、偏振片(2个)、λ/4波片、光屏等。
光路图
（1）按光路图使偏振片A和B 的偏振轴正交(消光)。然后插入一片λ/4波片C(实际实验中要使光线尽量穿过元件的中心)。
（2）以光线为轴先转动C使消光，然后使B转过360°观察现象。
（3）再将C从消光位置转过15、30、45、60、75、90°，每次都将B转过360，观察实验现象。
2. 研究λ/2波片对偏振光的影响：
本实验所用仪器有：光源、偏振片(2个)、λ/2波片、光屏等。
光路图
1：使偏振片A和B的偏振轴正交(消光)，并在B和A之间再插入一个λ/2波片C。
2：以光线为轴先转动将λ/2波片C转动任意角度破坏消光现象，再将B转动360°，观察消光现象。
五、实验过程与数据处理
1. 研究λ/4波片对偏振光的影响
数据表格
过程截图
现象描述：波片C转动的角度为90⁰的整数倍时，转动B可以观察到消光现象，其他情况下转动B虽然光强会变化，但是看不到消光。
2. 研究λ/2波片对偏振光的影响：
数据表格
过程截图
现象描述：C波片从消光状态开始转动某一角度θ，调节B的角度θ’，当θ’=2θ时，可以观察到消光现象。
六、实验结论与误差分析
结论：
线偏振光通过λ/4波片后出射的光线取决于波片与振动方向的夹角，夹角为90⁰的整数倍时，出射光仍为偏振光；夹角为45⁰时，出射光为圆偏振光；夹角为其他值时，出射光为椭圆偏振光。
λ/2波片与入射线偏振光振动方向的夹角决定了出射光振动方向转过的角度，出射光转动的角度为二者夹角的二倍。
误差分析：
对于仿真实验，可以最小程度的减小误差，从而达到理想状态。
七、思考题
1.为什么自然光通过任何波片后，透射光仍为自然光？
答：因为自然光沿各个方向振动相等，其相位差完全随机，将其附加一个相位差后，仍为随机的，所以透射光仍为自然光。
2.如何利用一个光源区分偏振片、λ/4波片、λ/2波片
答：用线偏振光源，转动光学仪器，发生消光的是偏振片，利用偏振片研究，光线透过波片再经过偏振片，如果转动波片会有没有消光的情况的就是λ/4波片，总是有消光的就是λ/2波片（需要适当转动波片）。
