偏振光現(xiàn)象的觀察和分析

1、偏振光現(xiàn)象的觀察和分析使其分別通過(guò)1/4波片和判斷出出射光的偏振態(tài)。圓偏振光、橢圓偏振光，通摘要本實(shí)驗(yàn)用半導(dǎo)體激光通過(guò)偏振片來(lái)產(chǎn)生線偏振光， 1/2波片，通過(guò)測(cè)量不同方向上檢偏器透過(guò)的光的強(qiáng)度, 并證實(shí)了線偏振光通過(guò)1/4波片可以產(chǎn)生線偏振光、 過(guò)1/2波片可以產(chǎn)生線偏正光，驗(yàn)證了馬呂斯定律。、引言振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱(chēng)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(shuō)來(lái)任 一方向上具有相同的振幅，這種橫振動(dòng)對(duì)稱(chēng)于傳播方向的光稱(chēng)為自然光 （非偏振 光）。凡其振動(dòng)

2、失去這種對(duì)稱(chēng)性的光統(tǒng)稱(chēng)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(lèi)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(chēng)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(chēng)為偏振態(tài)。 如果光在傳播過(guò) 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(chēng)為平面振動(dòng)態(tài)， 此平面 就稱(chēng)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【光的五種偏振態(tài)：線偏振光：在光的傳播過(guò)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

3、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(guò)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，貝夠點(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(chēng)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(guò)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(guò)，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。(

4、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(0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(chēng)波片。當(dāng)光垂直入射到波片后，產(chǎn)生的0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)生了光程差二d(叫 佈)，當(dāng)波長(zhǎng)為入時(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,相位差(2k近的波片為1/4波片；能產(chǎn)生片；能產(chǎn)生2k的波片稱(chēng)為全波片。-叫）(2 k 1)的波片稱(chēng)為能產(chǎn)生1/2波1/2波離開(kāi)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(guò)片后出射光和入射光的電矢量對(duì)稱(chēng)于光軸；線偏振光通過(guò)1/4波片后可能產(chǎn)

5、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(lèi)型【2】第一步令入射光通過(guò)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(wú)變化強(qiáng)度有變化但無(wú)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(guò)1/4 波片和偏振片2,改變偏 振片2的透振方向R，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(wú)消光有消光無(wú)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10的線偏振光，透過(guò)檢偏片后，透射光的強(qiáng)度（

6、不考慮吸收）為:1=1 o(COS a ) 2其中，a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(guò)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(guò)程: 1.光路調(diào)節(jié)將一個(gè)偏振片A1靠近激光器作為起偏器，一個(gè)偏振片A,靠近功率計(jì)作為檢偏 轉(zhuǎn)動(dòng)A圈，發(fā)現(xiàn)其最大值不超過(guò)量程02mw并調(diào)節(jié)A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)A每隔4記下一次功率計(jì)的讀 數(shù)。3. 1/4波片的作用將

7、A調(diào)整到消光位置后放入1/4波片q，調(diào)整至消光。旋轉(zhuǎn)1/4波片q， 當(dāng)q分別為 15、30、45、60、75、90 時(shí)，將 A2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 B破壞消光現(xiàn)象，調(diào)節(jié) A再次達(dá)到消光狀態(tài)，如果其角度符合 固即形成1/2波 片。5. 1/2波片的作用 先不放1/2波片，轉(zhuǎn)A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) A到達(dá) 消光位置，記

8、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 2 a作線性擬合其中 1=(1.881 0.02)cos2 a +(0.0 02 0.0 01)，即光強(qiáng)正比于 cos2a2. 1/4波片的作用(1)粗測(cè)表2粗測(cè)1/4波片轉(zhuǎn)過(guò)夾角0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/mW0 1/ 極小值/mW0 2/ 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

9、.581278601.353540.245324橢圓偏振光1.3562380.243134751.5102530.113344橢圓偏振光圖20 =30光強(qiáng)詳細(xì)測(cè)量（1/4波片）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0光或e光方向有分量,為90時(shí)，實(shí)因此透過(guò)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)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

10、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0光和e光方向的電矢量幅度相同,可知光分解為Ee AC0S t , EAs in t，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(méi)有和光軸完全垂直，引發(fā)角度誤差。.波片對(duì)于0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0光和e光的電矢量幅度不同,可將光分解為EeAiC0

11、S t , Eo A2Sin t，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0-360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(guò)對(duì)圖像總體的“雙橢圓餅”形狀沒(méi)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0光和e光，透過(guò)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，C2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(chēng)，也就

12、是旋轉(zhuǎn)了均轉(zhuǎn)動(dòng)10度，功率計(jì)沒(méi)有出現(xiàn)明顯數(shù)值變化。再按步驟操作后，將次旋轉(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C2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，隨后將片。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4.1/2波片的作用圖3 0與0的線性擬合其中K=2.017 0.017 R =0.99961，可知擬合情況較好1.五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論當(dāng)線偏振光透過(guò)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a,則出射光強(qiáng)1=1.881 cos2a +0.0 02,基本正比于COS 2 a，即馬呂斯定律;2.1/4波片讓線偏振光正交分解，當(dāng)入射角石時(shí)形成線偏