偏振現(xiàn)象的觀察與分析.ppt

偏振現(xiàn)象的觀察與分析,王景聚,實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.觀察光的偏振現(xiàn)象,鞏固理論知識(shí). 2.掌握產(chǎn)生與檢驗(yàn)偏振光的原理和方法.,儀器及用具,分光計(jì)、納光燈、偏振片、1/4波片、半波片和平面鏡等.,原理,光是一種電磁波,它的電矢量E和磁矢量H相互垂直,且均垂直于光的傳播方向.通常用電矢量E代表光的振動(dòng)方向,并將電矢量E和光的傳播方向所構(gòu)成的平面稱為該偏振光的振動(dòng)面.在傳播過(guò)程中,電矢量的振動(dòng)方向始終在某一確定方向的光稱為平面偏振光或線偏振光.若振動(dòng)只是在某一確定的方向上占有相對(duì)優(yōu)勢(shì),則稱為部分偏振光.還有一些光,它的振動(dòng)面和電矢量隨時(shí)間作有規(guī)律的變化,而電矢量末端在垂直與傳播方向的平面上的軌跡呈橢圓或圓,這樣的光稱為橢圓偏振光或圓偏振光.,1.平面偏振光的產(chǎn)生與檢驗(yàn),（1）利用反射（或透射）起偏 自然光在某些非金屬（如水、玻璃等）表面上反射時(shí),一般說(shuō)來(lái),反射光和折射光都是部分偏振光,由布儒斯特定律可知,反射光與折射光偏振化的程度決定于光在空氣中的入射角,當(dāng),n1,n2,N,反射光為完全偏振光,其振動(dòng)面與入射面垂直,入射角稱為布儒斯特角亦稱全偏振角.對(duì)于空氣的折射率n1=1.00,玻璃的折射率n2=1.50, 布儒斯特角約為 =56.3.,1.平面偏振光的產(chǎn)生與檢驗(yàn),（2）利用晶體的雙折射起偏,當(dāng)自然光入射到某些各向異性晶體（如冰洲石、石英）時(shí),在晶體內(nèi)折射后分解為兩束平面偏振光,并以不同速度在晶體內(nèi)傳播,這種現(xiàn)象稱為雙折射.在方解石、石英等晶體內(nèi),都有一個(gè)特殊方向,光沿這個(gè)方向傳播時(shí),不發(fā)生雙折射,這個(gè)方向稱為晶體的光軸,通過(guò)光軸并與晶體表面正交的平面稱為主截面.若入射面與主截面重合則雙折射產(chǎn)生的兩束平面偏振光的振動(dòng)面互相垂直,其中一束光的振動(dòng)垂直于晶體主截面,稱為尋常光（簡(jiǎn)稱O光）.另一束光的振動(dòng)平行于晶體的主截面,稱為非常光（簡(jiǎn)稱e光）,在晶體內(nèi)只有沿光軸方向傳播時(shí)O光和e光的速度相等,而沿其它方向傳播時(shí)它們的速度不相等.,1.平面偏振光的產(chǎn)生與檢驗(yàn),（3）利用晶體的二向色性起偏,有些晶體（如電氣石人造偏振片等）對(duì)兩個(gè)相互垂直振動(dòng)的電矢量具有不同的吸收本領(lǐng),這種選擇吸收性稱為二向色性.當(dāng)自然光通過(guò)二向色性晶體時(shí),其中一成分的振動(dòng)幾乎被完全吸收,而另一成分的振動(dòng)幾乎沒(méi)有損失.因些,透過(guò)光成為平面振動(dòng)光.偏振片是一種常用的起偏元件,用它可獲得截面積較大的偏振光束.,2.馬呂斯定律,電矢量為E強(qiáng)度為I0的線偏振光垂直入射到一個(gè)理想的偏振片(檢偏器)上,若入射光電振動(dòng)矢量E和偏振片偏振方向之間的夾角為, 則透射光強(qiáng)為,(2)式為馬呂斯定律.當(dāng)以光的傳播方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)檢振器時(shí),透射光強(qiáng)I將發(fā)生周期性變化.當(dāng)=0時(shí),透射光強(qiáng)最大（最亮）；當(dāng)=90時(shí),透射光強(qiáng)最小（最暗）；當(dāng)090時(shí),透射光強(qiáng)度介于最亮與最暗之間.,3.波片與圓偏振光和橢圓偏振光,波片由正晶體或負(fù)晶體制成,常用來(lái)改變光的偏振狀態(tài).當(dāng)一束振幅為A的線偏振光垂直入射到表面平行于光軸的晶片上，且光的振動(dòng)面與晶片光軸夾角為時(shí)，則在晶片表面上，偏振光O光與e光的振幅分別為Asin與Acos.二光傳播的方向相同,但這兩束振動(dòng)面互相垂直的光由于在晶體中傳播速度不同，因而會(huì)產(chǎn)一位相差.設(shè)晶片厚度為l,晶體對(duì)O光的折射率為n0,對(duì)e光的折射率為ne,于是經(jīng)晶片射出后O光、e光的位相差為,波片與圓偏振光和橢圓偏振光,O光與e光為兩個(gè)同頻率、有固定相位差,互相垂直的振動(dòng),則兩光的波動(dòng)方程為,式中Ao=Asin,Ae=Acos .從（4）、（5）二式中消去t,得,一般說(shuō),此式為一橢圓方程即合振動(dòng)的軌跡在垂直于傳播方向的平面內(nèi)且呈一橢圓形.它代表橢圓偏振光.,討論,（1）當(dāng)=2k（k=1,2,3,）由（3）式得,即厚度為l的晶片可使O光與e光的光程差為k,這種晶片稱為全波片或波片. 將=2k代入（6）式,得,可見(jiàn),=2k時(shí),O光經(jīng)過(guò)全波片后,其合振動(dòng)為平面偏振光,其振動(dòng)方向與入射偏振光的振動(dòng)方向平行.,討論,（2）當(dāng)=(2k+1), k=0,1,2,），由（3）式及(no-ne)L=(2k+1)/2 ,此時(shí)晶片厚度可使O光與e光的光程差為 (2k+1) /2 ,此波片稱為半波片.,這這樣的合振動(dòng)仍為平面偏振光,不過(guò)振動(dòng)方向相對(duì)原入射光的振動(dòng)方向轉(zhuǎn)過(guò)2角度,討論,（3）當(dāng)=(2k+1)/2,（k=0,1,2,3,），則光程差為(no-ne)L=(2k+1)/4,此晶片厚度可使O光與e光的光程差為/4,此晶片為1/4波片.,若O光與e光的振幅相等,即A0=Ae,則（9）式變?yōu)?此合成光圓偏光.當(dāng)不為以上各值時(shí),各振動(dòng)為不同長(zhǎng)短軸組合的橢圓偏振光.橢圓偏振光的長(zhǎng)軸和短軸的取向決定于入射偏振光方向與晶片光軸間的夾角.當(dāng)=0,/2時(shí)得線偏振光,=/4時(shí)得圓偏振光.,4.偏振光的鑒別,(1)自然光和線偏振光的鑒別,(1)自然光和線偏振光的鑒別 根據(jù)馬呂斯定律I=I0cos2 ，當(dāng)=0時(shí),I=I0光強(qiáng)不發(fā)生變化.當(dāng)=90，I=0.因此把檢偏器對(duì)著入射光,旋轉(zhuǎn)檢偏器,若光強(qiáng)不發(fā)生變化,則入射光為自然光或圓偏振光.若檢偏器旋轉(zhuǎn)一周,透射光有兩次最亮(與入射光一樣)和兩次完全黑暗,則入射光應(yīng)為線偏振光. (2)自然光與圓偏振光的鑒別 在檢偏器前加一個(gè)1/4波片,此時(shí)若無(wú)論檢偏器旋轉(zhuǎn)到什么位置,光強(qiáng)I始終不變,則此入射光為自然光.而圓偏振光經(jīng)過(guò)四分之一波片后,成為一線偏振光.在旋轉(zhuǎn)檢偏器時(shí),可以觀察到(1)中所述現(xiàn)象.,偏振光的鑒別,(3)橢圓偏振光與部分偏振光的鑒別 在檢偏器的前加一個(gè)1/4波片,然