偏振光學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、偏振光的產(chǎn)生和檢驗(yàn)一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握偏振光的產(chǎn)生原理和檢驗(yàn)方法，觀察線偏振光2. 驗(yàn)證馬呂斯定律，測(cè)量布儒斯特角；二. 實(shí)驗(yàn)原理1光的偏振性光波是波長(zhǎng)較短的電磁波，電磁波是橫波，光波中的電矢量與波的傳播方向 垂直。光的偏振觀象清楚地顯示了光的橫波性。光大體上有五種偏振態(tài)，即線偏 振光、圓偏振光、橢圓偏振光、自然光和部分偏振光。而線偏振光和圓偏振光又 可看作橢圓偏振光的特例。(1) 自然光光是由光源中大量原子或分子發(fā)出的。普通光源中各個(gè)原子發(fā)出的光的波列 不僅初相彼此不相關(guān)，而且光振動(dòng)方向也是彼此不相關(guān)的，呈隨機(jī)分布。在垂直 于光傳播方向的平面內(nèi)，沿各個(gè)方向振動(dòng)的光矢量都有。平均說(shuō)來(lái)，光矢量

2、具有 軸對(duì)稱(chēng)而且均勻的分布，各方向光振動(dòng)的振幅相同，各個(gè)振動(dòng)之間沒(méi)有固定的相 聯(lián)系，這種光稱(chēng)為自然光或非偏振光(見(jiàn)下圖)。我們?cè)O(shè)想把每個(gè)波列的光矢量都沿任意取定的 x軸和y軸分解，由于各波 列的光矢量的相和振動(dòng)方向都是無(wú)規(guī)則分布的，將所有波列光矢量的x分量和y分量分別疊加起來(lái)，得到的總光矢量的分量 Ex和Ey之間沒(méi)有固定的相關(guān)系，因 而它們之間是不相干的。同時(shí) Ex和Ey的振幅是相等的，即Ax=Ay。這樣，我們 可以把自然光分解為兩束等幅的、 振動(dòng)方向互相垂直的、不相干的線偏振光。這就是自然光的線偏振表示，如下圖（a）所示。分解的兩束線偏振光具有相等的強(qiáng)度 I所以每束線偏振光的強(qiáng)度是自然光強(qiáng)度

3、的1/2，即通常用圖（b）的圖示法表示自然光。圖中用短線和點(diǎn)分別表示在紙面內(nèi)和 垂直于紙面的光振動(dòng)，點(diǎn)和短線交替均勻畫(huà)出，表示光矢量對(duì)稱(chēng)而均勻的分布（2）線偏振光光矢量只沿一個(gè)固定的方向振動(dòng)時(shí)，這種光稱(chēng)為線偏振光，又稱(chēng)為平面偏振光。光矢量的方向和光的傳播方向所構(gòu)成的平面稱(chēng)為振動(dòng)面，如圖（a）所示線偏振光的振動(dòng)面是固定不動(dòng)的，圖（b）所示是線偏振光的表示方法，圖中短 豎線表示光振動(dòng)在紙面內(nèi)，點(diǎn)表示光振動(dòng)垂直于紙面。（3）部分偏振光這是介于線偏振光與自然光之間的一種偏振光， 在垂直于這種光的傳播方向 的平面內(nèi)，各方向的光振動(dòng)都有，但它們的振幅不相等，如圖（ a）所示。這種 部分偏振光用數(shù)目不等的點(diǎn)

4、和短線表示。在圖（b）中，上圖表示在紙面內(nèi)的光 振動(dòng)較強(qiáng)，下圖表示垂直紙面的光振動(dòng)較強(qiáng)。要注意，這種偏振光各方向的光矢 量之間也沒(méi)有固定的相的關(guān)系（4）圓偏振光和橢圓偏振光這兩種光的特點(diǎn)是在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光矢量按一定頻率旋轉(zhuǎn)（左旋或右旋）。如果光矢量端點(diǎn)軌跡是一個(gè)圓，這種光叫圓偏振光（見(jiàn)圖（a） 如果光矢量端點(diǎn)軌跡是一個(gè)橢圓，這種光叫橢圓偏振光（見(jiàn)圖（ b）2.布儒斯特角當(dāng)光從折射率為ni的介質(zhì)（例如空氣）入射到折射率為 n2的介質(zhì)（例如玻 璃）交界面，而入射角又滿足B arcta n匹ni時(shí)，反射光即成完全偏振光，其振動(dòng)面垂直于入射面。iB稱(chēng)布儒斯特角，上式即布儒斯特定律。顯然

5、，角的大小因相關(guān)物質(zhì)折射率大小而異。若ni表示的是空氣折射率，（數(shù)值近似等于1） 上式可寫(xiě)成arctan 壓3馬呂斯定律如果光源中的任一波列（用振動(dòng)平面 E表示）投射在起偏器P上（如下圖）, 只有相當(dāng)于它的成份之一的 Ey（平行于光軸方向的矢量）能夠通過(guò)，另一成份 Ex （= E cos9）則被吸收。與此類(lèi)似，若投射在檢偏器 A上的線偏振光的振幅為 E。，則透過(guò)A的振幅為Eo cos9 （這里9是P與A偏振化方向之間的夾角）。由于 光強(qiáng)與振幅的平方成正比，可知透射光強(qiáng)I隨9而變化的關(guān)系為2I 10 cos這就是馬呂斯定律。4波片若使線偏振光垂直入射一透光面平行于光軸，厚度為 d的晶片，此光因晶

6、片 的各向異性而分裂成遵從折射定律的尋常光（o光）和不遵從折射定律的非常光（e光）。因o光和e光在晶體中這兩個(gè)相互垂直的振動(dòng)方向有不同的光速，分別稱(chēng)做快軸和慢軸。設(shè)入射光振幅為A，振動(dòng)方向與光軸夾角為入射晶面后o光和e光振幅分別為Asin0和 Acos Q出射后相位差2（n。 ne）d0式中A）是光在真空中的波長(zhǎng)，n。和ne分別是。光和e光的折射率。這種能使相互垂直振動(dòng)的平面偏振光產(chǎn)生一定相位差的晶片就叫做波片如果以平行于波片光軸方向?yàn)?x坐標(biāo)，垂直于光軸方向?yàn)閥坐標(biāo)出射的。光和e光可用兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程式表示:xAesinyAo sin( t該兩式的合振動(dòng)方程式可寫(xiě)成2xA2e匚空cosA o

7、 Ae Ao2 sin般說(shuō)來(lái)，這是一個(gè)橢圓方程，代表橢圓偏振光。2k2、3）或（2k 1）（k= 0、1、2）時(shí)，合振動(dòng)變成振動(dòng)方向不同的線偏振光。后一種情況，晶片厚度d心-n。 毎2可使o光和e光產(chǎn)生（2k+1 ）入/的光程差，這樣的晶片稱(chēng)做半波片，而當(dāng)（2k 1）（k= 1、2、3）2時(shí)，合振動(dòng)方程化為正橢圓方程2 2丄L 1Ae A2。這時(shí)晶片厚度d （2k,稱(chēng)做1/4波片。它能使線偏振光改變偏振態(tài)，變成n。 很4橢圓偏振光。但是當(dāng)入射光振動(dòng)面與波片光軸夾角0= 45 °時(shí)，Ae= A。，合振動(dòng)方程可寫(xiě)成x2 y2 A2即獲得圓偏振光。5偏振光的獲得自然界的大多數(shù)光源所發(fā)出的是

8、自然光。為了從自然光得到各種偏振光，需要采用偏振器件。偏振片、玻片堆和尼科耳棱鏡等都可以用作起偏器，自然光通過(guò)這些起偏器后就變成了線偏振光。偏振片常用具二向色性的晶體制成，這些晶體對(duì)不同方向的電磁振動(dòng)具有選擇吸收的性質(zhì)，當(dāng)光線射在晶體的表面上時(shí)，振動(dòng)的電矢量與光軸平行時(shí)吸收得較少，光可以較多地通過(guò)；電矢量與光軸垂直時(shí)被吸收得較多，光通過(guò)得很少。通常的偏振片是在拉伸了的塞璐璐基片上蒸鍍一層硫酸碘奎寧的晶粒，基片的應(yīng)力可以使晶粒的光軸定向排列起來(lái)， 這樣可得到面積很大的偏振片。為了得到橢圓偏振光，使自然光通過(guò)一個(gè)起偏器和一個(gè)波片即可。由起偏器出射偏振 光正入射到波片中去時(shí)，只要其振動(dòng)方向不與波片的

9、光軸平行或垂直，就會(huì)分解成0光和e光，穿過(guò)波片時(shí)在它們之間就有一定的附加相位差3。射出波片之后，傳播方向相同的這兩 束光的速度恢復(fù)到一樣，它們?cè)谝黄鹨话闶呛铣蓹E圓偏振光。只有當(dāng)這兩面束光之間的相位差等于±n/2，且振幅相同時(shí)，才有可能得到圓偏振光。換言之，令一束線偏振光垂直通過(guò)一波片，一般我們得到一束橢圓偏振光；只有通過(guò)1/4波片，且波片的光軸與入射光的振動(dòng)面成對(duì)45。角時(shí)，我們才能得到一束圓偏振光。三. 實(shí)驗(yàn)裝置；白光源，凸透鏡（f=150mm ）,二維調(diào)節(jié)架（SZ-03）三個(gè)，可調(diào)狹縫，光學(xué)測(cè)角臺(tái)，升降調(diào) 節(jié)架，黑玻璃片，偏振片,X軸旋轉(zhuǎn)二維架（SZ-06）,二維平移底座（SZ-

10、02）,另需鈉燈、氦 氖激光器、1/4玻片及轉(zhuǎn)動(dòng)架和擴(kuò)束器。四. 實(shí)驗(yàn)步驟1）測(cè)布儒斯特角，定偏振片光軸：按上圖所示，使白光源燈絲位于透鏡的焦平面上（此時(shí) 二底座相距162mm）,近似平行光束通過(guò)狹縫，向光學(xué)臺(tái)分度盤(pán)中心的黑玻璃入射，并在臺(tái)面上顯出指向圓心的光跡。此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)分度盤(pán)，對(duì)任意入射角，利用偏振片和X軸旋轉(zhuǎn)二維架組成的偏振器檢驗(yàn)反射光，轉(zhuǎn)動(dòng)360，觀察部分偏振片的強(qiáng)度變化。而當(dāng)光束以布儒斯特角iB入射時(shí)，反射的線偏振光可被減偏器消除（對(duì)n=1.51,iB=57）。該入射角需要反復(fù)仔細(xì)校準(zhǔn)。因偏振光的振動(dòng)面垂直于入射面，按減偏器消光方向可以 定出偏振片的易透光軸。2）線偏振光分析：使納光通

11、過(guò)偏振片起偏振，用裝在X軸旋轉(zhuǎn)二維架上（對(duì)準(zhǔn)指標(biāo)線）的偏振片在轉(zhuǎn)動(dòng)中撿偏振，分析透過(guò)光強(qiáng)變化與角度的關(guān)系。3）橢圓偏振光的分析：使激光束通過(guò)擴(kuò)束器、狹縫和黑鏡產(chǎn)生線偏振光，再通過(guò)1/4玻片之后，用裝在X軸旋轉(zhuǎn)二維架上的偏振片在旋轉(zhuǎn)中觀察透射光強(qiáng)度變化，是否有兩明兩暗位置（注意與上一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有何不同），暗位置在，檢偏器的透振方向即橢圓的短軸方向。4）圓偏振光分析：在透振軸正交的二偏振片之間加入1/4玻片，旋轉(zhuǎn)至透射光強(qiáng)恢復(fù)為零處，從該位置再轉(zhuǎn)動(dòng) 45 ，即可產(chǎn)生圓偏振光。此時(shí)若用檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)檢查，透射光強(qiáng) 是不變的。3）和4）應(yīng)使用白屏觀察。五. 數(shù)據(jù)處理1、布儒斯特角：57。2、 線偏振光強(qiáng)符

12、合I2=I1cos2B馬呂斯定律，當(dāng)B為0時(shí)（平行），透射光最大；當(dāng)B為/2時(shí)（垂直），透射光強(qiáng)為零。3、是，暗的地方光強(qiáng)不為零。六. 實(shí)驗(yàn)感想做光學(xué)實(shí)驗(yàn)中體會(huì)最深的就是我們需要耐心細(xì)致和嚴(yán)謹(jǐn)，這不僅鍛煉了我們實(shí)驗(yàn)的素質(zhì)而且增強(qiáng)了我們做實(shí)驗(yàn)的興趣。指導(dǎo)書(shū)上只有大綱，很多地方都需要 我們自己去多問(wèn)幾個(gè)為什么，所以實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)顯得尤其重要， 它可以使我們宏觀地把握做實(shí)驗(yàn)的全程， 做到 成竹于胸；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中最重要的便是要做到用心觀察及如實(shí)的記錄，有些時(shí)候， 實(shí)驗(yàn)的具體步驟與參考書(shū)中有所不同， 這就需要我們用心思考； 實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)處 理及分析充分體現(xiàn)了我們對(duì)該實(shí)驗(yàn)的整體把握，應(yīng)該好好分析，參考相應(yīng)資料， 分析出自己在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的得失， 只有這樣才能真正有所收獲。 這些實(shí)驗(yàn)需要兩 個(gè)人共同完成，