趙 航,郝彥軍,朱 俊,梁小沖,于白茹,李 偉,李紫源,饒大慶，鄒旭敏，穆萬軍

(四川大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610064))

·實 驗 技 術(shù)·

光的偏振特性研究

趙 航,郝彥軍,朱 俊,梁小沖,于白茹,李 偉,李紫源,饒大慶，鄒旭敏，穆萬軍

(四川大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610064))

文中介紹了偏振光的特性及相關(guān)原理。利用偏振片產(chǎn)生偏振光并測量了光功率，利用得到的實驗數(shù)據(jù)擬合了一個關(guān)于偏振片的旋轉(zhuǎn)角度與光功率的經(jīng)驗公式。將經(jīng)驗公式與理論公式相對照，從一個新的角度驗證了光馬呂斯定律的正確性。

偏振光；光功率；經(jīng)驗公式；理論公式；馬呂斯定律

光的本質(zhì)一直以來是最為神秘、最為引人入勝的課題。近代以來人們已認識到光既具有粒子性也具有波動性，但是對光的實質(zhì)是什么，學(xué)術(shù)界至今沒有定論。對光波動性的探索和對光波動性性質(zhì)的了解卻使光被廣泛用于工程實踐中。光的偏振特性是光波動性中很重要也很特殊的一個性質(zhì)。光的偏振有別于反射和折射，人的感官不能直接感覺到它的存在。1808年，法國物理學(xué)家馬呂斯(Malus)研究發(fā)現(xiàn)，折射的兩束光在兩個相互垂直的平面上偏振，從此證明了光的橫波性，同時也打開了一個新的研究領(lǐng)域。此后，又有布儒斯特(Brewster)定律和色偏振等一些新發(fā)現(xiàn)。本文不僅驗證了馬呂斯的偏振定律，而且進一步研究了一些人造偏振片的性質(zhì)[1]。人們利用偏振光的這些性質(zhì)于立體電影、晶體性質(zhì)研究學(xué)、光學(xué)計量、光彈、薄膜、光通信實驗應(yīng)力分析等領(lǐng)域,并取得了很好的效果。

1 實驗原理

自然光經(jīng)過偏振片，其透射光基本上變?yōu)榫€偏振光。這種偏振片既可作為光的起偏器，又可作為光的檢偏器，它能夠吸收某一振動方向的光而透過與此垂直方向振動的光。偏振器可以透過光振動的方向，稱為透振方向。

馬呂斯定律定量描述了線偏振光經(jīng)過偏振器(檢偏器)前后的強度關(guān)系：當(dāng)入射到檢偏器的線偏振光光強度為I1，經(jīng)過檢偏器后的出射光強度為I2，若入射線偏振光的振動方向和檢偏器透振方向夾角為α，則有

I2=I1cos2α

(1)

由式(1)可知，當(dāng)α=0、π，即入射和出射光振動方向平行時，I2=I1，光強不變；而當(dāng)

即入射和出射光振動方向垂直時，I2=0，即出射光“消光”。

檢偏器可用于檢驗光波在各不同振動方向的強度分量：旋轉(zhuǎn)檢偏器，改變其透振方向，可以觀察到出射光線的強度變化[2]。

2 實驗方案與操作

1)在光學(xué)平臺上，將激光器、偏振架1(起偏器)、偏振架2(檢偏器)、功率指示計光探頭依次排列，如圖1所示。

圖1 光路圖

2)將激光器、功率指示計光探頭分別與功率指示計相連。打開功率指示計電源，激光輸出。

3)調(diào)整激光指向和各架子的高度，使激光從兩個偏振片的中心通過，進入功率指示計探頭。

4)以30°為間隔旋轉(zhuǎn)檢偏器，記錄偏振片旋轉(zhuǎn)角度與光功率的變化。研究中的原始記錄見表1，根據(jù)表1繪制的角度與功率關(guān)系曲線如圖2所示。

表1 偏振片旋轉(zhuǎn)角度與光功率關(guān)系表

圖2 偏振片旋轉(zhuǎn)角度與光功率關(guān)系圖

3 實驗結(jié)果與誤差分析

3.1 實驗結(jié)果

圖2中，橫坐標表示實驗中檢偏器旋轉(zhuǎn)的角度θ，縱坐標表示與之對應(yīng)的光功率。由于此實驗旨在驗證馬呂斯定律，故我們直接嘗試使用正弦函數(shù)擬合上述圖像與數(shù)據(jù)。從圖2可以看出，偏振器旋轉(zhuǎn)角度(θ)與光功率(I)的關(guān)系近似滿足正弦類函數(shù)。

用三角函數(shù)的表達式來描述圖2。通過標識所列兩個極小值點(162，0.001)和(343，0.002)以及極大值點(270，0.624)，我們可以得到：該三角函數(shù)的周期為T=343°-162°≈π；角頻率為ω=2π/T=2;初相可由峰值得到φ=0.41π。

最終表達式為：

I=0.31cos(2θ+0.41π)+0.32

(2)

馬呂斯定律的理論表達式為：

I2=I1cos2a

(3)

經(jīng)過變換得：

(4)

代入I1以及相關(guān)參數(shù)可知：

I=0.31cos(2θ+0.41π)+0.31

(5)

3.2 誤差分析

從上面的結(jié)果可以看出，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合的表達式與馬呂斯定律理論表達式基本吻合：實驗擬合表達式的常數(shù)項為0.32，比理論式多出0.01。就可能產(chǎn)生這一誤差的原因分析如下。

1)偏振片并不是理想的偏振片，光線通過偏振片后能量在個別方向上有殘留，無法完全消光。

3)光功率計電路內(nèi)部產(chǎn)生的誤差。

4)由于實驗是在白天明亮的環(huán)境下進行的，所以可能會有一部分自然光通過偏振片進入光功率計中，甚至自然光可以直射進入光功率計中。

5)實驗需要將光源、兩個偏振片的中心以及光探頭處于同一水平線上，但是實驗室及操作過程中很難精確把握光線垂直穿過偏振片的中心。所以很可能由于入射光入射角度、入射點的偏差導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。

4 結(jié)束語

利用并分析實驗得出的實驗數(shù)據(jù)，最終擬合成一個關(guān)于旋轉(zhuǎn)角度與光功率的經(jīng)驗公式，并與理論公式進行對照，實驗誤差在允許范圍內(nèi)，從而驗證了馬呂斯定律。

[1]徐弼軍,沈泳.橢圓偏振光的定量測量研究[J]. 物理實驗, 2013, 33(7):30-34.

[2]楊述武.普通物理實驗[M].北京:高等教育出版社，2007:70-80.

Research on Feature of Polarized Light

ZHAO Hang, HAO Yanjun, ZHU Jun, LIANG Xiaochong, YU Bairu, LI Wei, LI Ziyuan, RAO Daqing, ZOU Xumin, MU Wanjun

(College of Physical Science and Technology, Sichuan University, Chengdu 610064, China)

The features of polarized light are introduced in this paper as well as the experiment process of detecting these features. In the experiment, polariods are used to create polarized light and the power of light is metered. Then according to the statistics collected in the experiment and fitted by sinusoid, a empirical formula is found. Finally, this formula is compared with the theoretical formula to testity the Malus law from a new aspect.

polarized light; lumious power; empirical formula; theoretical formula; Malus law

2014-08-09

四川大學(xué)新世紀教改項目第六期(SCUY044)。

趙 航(1992-)，男，本科在讀，專業(yè)方向為電子信息工程。

梁小沖(1986-)，男，碩士，實驗師，主要從事大學(xué)物理實驗教學(xué)與研究工作。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.001