偏振光現(xiàn)象的觀察和分析

偏振光現(xiàn)象的觀察和分析摘要本實(shí)驗(yàn)用半導(dǎo)體激光通過偏振片來產(chǎn)生線偏振光，使其分別通過1/4波片和1/2波片，通過測(cè)量不同方向上檢偏器透過的光的強(qiáng)度，判斷出出射光的偏振態(tài)。并證實(shí)了線偏振光通過1/4波片可以產(chǎn)生線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光，通過1/2波片可以產(chǎn)生線偏正光，驗(yàn)證了馬呂斯定律。一、 引言振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱性叫做偏振，它是橫波區(qū)別于其他縱波的一個(gè)最明顯的標(biāo)志。只有橫波才能產(chǎn)生偏振現(xiàn)象，故光的偏振是光的波動(dòng)性的又一例證。在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，包含一切可能方向的橫振動(dòng)，且平均說來任一方向上具有相同的振幅，這種橫振動(dòng)對(duì)稱于傳播方向的光稱為自然光（非偏振光）。凡其振動(dòng)失去這種對(duì)稱性的光統(tǒng)稱偏振光。偏振光的典型應(yīng)用是偏光式3D技術(shù)，其普遍用于商業(yè)影院和其它高端應(yīng)用。二、 實(shí)驗(yàn)原理1.偏振光的種類光是一種電磁波，由于電磁波對(duì)物質(zhì)的作用主要是電場(chǎng)，故在光學(xué)中把電場(chǎng)強(qiáng)度E稱為光矢量。在垂直于光波傳播方向的平面內(nèi)，光矢量可能有不同的振動(dòng)方向，通常把光矢量保持一定振動(dòng)方向上的狀態(tài)稱為偏振態(tài)。如果光在傳播過程中，若光矢量保持在固定平面上振動(dòng)，這種振動(dòng)狀態(tài)稱為平面振動(dòng)態(tài)，此平面就稱為振動(dòng)面。圖1 電矢量垂直于紙面的偏振光圖2 電矢量平行于紙面振光【1】光的五種偏振態(tài)： 線偏振光：在光的傳播過程中，只包含一種振動(dòng)，其振動(dòng)方向始終保持在同一平面內(nèi)， 部分偏振光：光波包含一切可能方向的橫振動(dòng)，但不同方向上的振幅不等。 自然光：光波包含一切可能方向的橫振動(dòng)，但不同方向上的振幅相等。 橢圓偏振光：在光的傳播過程中，空間每個(gè)點(diǎn)的電矢量均以光線為軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，若它們的頻率相同并且有固定的位相差，則該點(diǎn)的合成振動(dòng)的軌跡一般呈橢圓形。 圓偏振光：旋轉(zhuǎn)電矢量端點(diǎn)描出圓軌跡的光稱圓偏振光，是橢圓偏振光的特殊情形。2.線偏振的產(chǎn)生（1）偏振片利用某些有機(jī)化合物的“二向色性”制成，當(dāng)自然光透過這種偏振片后，光矢量垂直于偏振片方向的分量幾乎完全被吸收，而平行方向的分量幾乎完全通過，因此透射光基本上為線偏振光。偏振片可以作為起偏器，也可以作為檢偏器檢驗(yàn)偏振光的偏振方向。（2）雙折射產(chǎn)生偏振自然光入射到雙折射晶體時(shí)，產(chǎn)生的尋常光(o光)和非尋常光（e光）都是線偏振光。3.波晶片即上述能發(fā)生雙折射的晶體，又稱波片。當(dāng)光垂直入射到波片后，產(chǎn)生的o光和e光在波片中的傳播方向一致而傳播速度不同，因此導(dǎo)致它們產(chǎn)生了光程差，當(dāng)波長(zhǎng)為時(shí)，產(chǎn)生相位差，其中d為波片厚度，ne與no是e光與o光的主折射率。對(duì)于某種單色光，能產(chǎn)生相位差的波片為1/4波片；能產(chǎn)生的波片稱為1/2波片；能產(chǎn)生的波片稱為全波片。離開波片時(shí)合成波的偏振性質(zhì)，確定于相位差和。線偏振光通過1/2波片后出射光和入射光的電矢量對(duì)稱于光軸；線偏振光通過1/4波片后可能產(chǎn)生線偏振光、圓偏振光和長(zhǎng)軸與光軸垂直或平行的橢圓偏振光。4.偏振光的檢驗(yàn)表一 檢驗(yàn)偏振光的類型【2】第一步令入射光通過偏振片1，改變偏振片1的透振方向P1，觀察透光強(qiáng)度的變化觀察到的現(xiàn)象有消光強(qiáng)度無變化強(qiáng)度有變化但無消光結(jié)論線偏振自然光或圓偏振部分偏振或橢圓偏振第二步a.令入射光一次通過1/4波片和偏振片2，改變偏振片2的透振方向P2，觀察透射光的光強(qiáng)度變化b.同a，只是1/4波片的光軸方向必須與第一步中偏振片1產(chǎn)生的強(qiáng)度極大或極小的透振方向重合觀察到的現(xiàn)象有消光無消光有消光無消光結(jié)論圓偏振自然光橢圓偏振部分偏振5.馬呂斯定律強(qiáng)度為I0的線偏振光,透過檢偏片后,透射光的強(qiáng)度(不考慮吸收)為： I=I0(cos)2 其中, 是入射線偏振光的光振動(dòng)方向和偏振片偏振化方向之間的夾角。三、 實(shí)驗(yàn)裝置及過程實(shí)驗(yàn)裝置：發(fā)出波長(zhǎng)為 635nm 的紅光的半導(dǎo)體激光器； 2個(gè)偏振片，直徑 2cm，分別用作起偏器與檢偏器；2個(gè)1/4 波片，直徑 2cm；1個(gè)1/2 波片，直徑 1cm；數(shù)字式光功率計(jì)。實(shí)驗(yàn)過程：1光路調(diào)節(jié)將一個(gè)偏振片靠近激光器作為起偏器，一個(gè)偏振片靠近功率計(jì)作為檢偏器。轉(zhuǎn)動(dòng)A2一圈，發(fā)現(xiàn)其最大值不超過量程02mw，并調(diào)節(jié)A2達(dá)到消光狀態(tài)，記下此時(shí)其讀數(shù)。2. 驗(yàn)證馬呂斯定律 以達(dá)到消光狀態(tài)時(shí)的A2的位置為零點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)A2每隔4記下一次功率計(jì)的讀數(shù)。3. 1/4波片的作用將A2調(diào)整到消光位置后放入1/4波片，調(diào)整至消光。旋轉(zhuǎn)1/4波片，當(dāng)分別為15、30、45、60、75、90時(shí)，將旋轉(zhuǎn)360，觀察光電流的變化情況和極值的出現(xiàn)情況。細(xì)測(cè)：選取30作詳細(xì)測(cè)量，每隔10記下對(duì)應(yīng)的光功率。4.利用1/4波片組成1/2波片將兩個(gè)1/4波片放在一起，調(diào)節(jié)至產(chǎn)生消光現(xiàn)象，將兩波片轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度破壞消光現(xiàn)象，調(diào)節(jié)A2再次達(dá)到消光狀態(tài)，如果其角度符合即形成1/2波片。5. 1/2波片的作用先不放1/2波片，轉(zhuǎn)調(diào)至消光，放1/2波片，改變1/2波片與激光振動(dòng)方向夾角的數(shù)值，當(dāng)其分別為15、30、45、60、75、90時(shí)，轉(zhuǎn)到達(dá)消光位置，記錄轉(zhuǎn)動(dòng)角度。四、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析1. 驗(yàn)證馬呂斯定律圖1 功率計(jì)示數(shù) I 與 cos 作線性擬合其中 I=(1.8810.02)cos+(0.002 0.001)，即光強(qiáng)正比于cos2. 1/4波片的作用（1）粗測(cè)表2 粗測(cè)1/4波片轉(zhuǎn)過夾角后得到的偏振光性質(zhì)偏振片逐漸旋轉(zhuǎn)360現(xiàn)象1/4玻片轉(zhuǎn)角/極大值/mW1/極小值/mW2/偏振性質(zhì)151.5151160.098198橢圓偏振光1.5202840.10220301.3471580.23968橢圓偏振光1.3503480.239248451.085100.578102最接近圓偏振光的橢圓偏振光1.1121960.581278601.353540.245324橢圓偏振光1.3562380.243134751.5102530.113344橢圓偏振光1.513640.112162901.6322690.000180線偏振光1.628900.0000分析：在實(shí)驗(yàn)中觀察到橢圓偏振光和線偏振光，極大值和極小值均出現(xiàn)兩次。由1/4玻片的定義可知，線偏振光垂直入射到玻片上后，可將光沿快軸慢軸方向分解。當(dāng)線偏振光與光軸夾角為0或90時(shí)，光只有在o光或e光方向有分量，因此透過去后仍然合成為線偏振光，振動(dòng)方向不變。實(shí)驗(yàn)中當(dāng)為90時(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與理論吻合，亦即在偏振光方向光強(qiáng)最大，與偏振光垂直方向出現(xiàn)消光。當(dāng)線偏振光與光軸夾角為45時(shí)，沿o光和e光方向的電矢量幅度相同，可知光分解為，因此理論上合成的光為圓偏振光，電矢量波面內(nèi)以勻角速度旋轉(zhuǎn)。在實(shí)驗(yàn)中，觀察到極大值與極小值的差最小時(shí)為45，但此時(shí)仍然為橢圓偏振光。實(shí)驗(yàn)中不為圓偏振光原因可能為：光學(xué)元件沒有和光軸完全垂直，引發(fā)角度誤差。波片對(duì)于o光和e光的吸收程度不完全相同。儀器本身原因，包括激光器的波動(dòng)導(dǎo)致數(shù)值讀取誤差以及光功率計(jì)的最小讀數(shù)限制。.玻片并非完全均勻而且并非與激光的波長(zhǎng)完全吻合。當(dāng)線偏振光與光軸夾角為其他角度時(shí)，沿o光和e光的電矢量幅度不同，可將光分解為，因此合成的光為橢圓偏振光，實(shí)驗(yàn)與理論吻合。（2）選取30細(xì)測(cè)，得到如下圖圖2 =30光強(qiáng)詳細(xì)測(cè)量（1/4 波片）由上圖可以看出，該極坐標(biāo)函數(shù)圖象成“雙橢圓餅”形，在檢偏器所轉(zhuǎn)的0360度之間，共達(dá)到兩次消光，兩次最大值，這正是橢圓偏振光的長(zhǎng)軸和短軸的位置。本次細(xì)測(cè)以 10為測(cè)量步長(zhǎng)，極值點(diǎn)的位置會(huì)有幾度至十幾度的浮動(dòng)，不過對(duì)圖像總體的“雙橢圓餅”形狀沒有太大的影響。3. 用兩個(gè)1/4波片組合成1/2波片根據(jù)1/2玻片定義，垂直入射的線偏振光分解為o光和e光，透過1/2玻片后，兩光的相位差增加，以及等效為某個(gè)光矢量反向，而某個(gè)光矢量方向不變，從而合成光的光矢量與入射光的光矢量關(guān)于光軸對(duì)稱，也就是旋轉(zhuǎn)了。按步驟操作后，將、均轉(zhuǎn)動(dòng)10度，功率計(jì)沒有出現(xiàn)明顯數(shù)值變化。再次旋轉(zhuǎn)10度，功率計(jì)仍不發(fā)生變化，可判斷此時(shí)兩個(gè)波片的光軸垂直。再次調(diào)節(jié)至消光后，將、均轉(zhuǎn)動(dòng)10度，此時(shí)功率計(jì)示數(shù)發(fā)生了明顯變化，隨后將轉(zhuǎn)動(dòng)20度左右后，重新出現(xiàn)消光現(xiàn)象?？烧J(rèn)為調(diào)節(jié)出1/2波片。4. 1/2波片的作用圖3 與的線性擬合其中K=2.0170.017 R2=0.99961，可知擬合情況較好五、 實(shí)驗(yàn)結(jié)論1. 當(dāng)線偏振光透過檢偏器時(shí)， 若檢偏器的透振方向與出射光振動(dòng)方向夾角為，則出射光強(qiáng) I=1.881cos+0.002，基本正比于 cos，即馬呂斯定律；2. 1/4波片讓線偏振光正交分解，當(dāng)入射角時(shí)形成線偏振光；當(dāng)時(shí)形成圓偏振