大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)--光的偏振.

1、實(shí)驗(yàn) 27光的偏振一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察光的偏振現(xiàn)象，加深對(duì)光的偏振的理解。2、了解偏振光的產(chǎn)生及其檢驗(yàn)方法。3、觀測(cè)布儒斯特角，測(cè)定玻璃折射率。4、觀測(cè)橢圓偏振光與圓偏振光。5、了解 1/2 波片和 1/4 波片的用途。二、實(shí)驗(yàn)原理1、光的偏振狀態(tài)光是電磁波，它是橫波。通常用電矢量E 表示光波的振動(dòng)矢量。10-5 秒已足夠了） ，各取向上電矢量的時(shí)間平均值是相等的，這樣的(1) 自然光其電矢量在垂直于傳播方向的平面內(nèi)任意取向，各個(gè)方向的取向概率相等，所以在相當(dāng)長的時(shí)間里（光稱為自然光，如圖27-l 所示。(2) 平面偏振光 電矢量只限于某一確定方向的光，因其電矢量和光線構(gòu)成一個(gè)平面而稱其為平面

2、偏振光。如果迎著光線看，電矢量末端的軌跡為一直線，所以平面偏振光也稱為線偏振光，如圖 27-2 所示。(3) 部分偏振光電矢量在某一確定方向上較強(qiáng)，而在和它正交的方向上較弱，這種光稱為部分偏振光，如圖27-3 所示。部分偏振光可以看成是線偏振光和自然光的混合。(4) 橢圓偏振光 迎著光線看，如果電矢量末端的軌跡為一橢圓，這樣的光稱為橢圓偏振光。橢圓偏振光可以由兩個(gè)電矢量互相垂直的、有恒定相位差的線偏振光合成得到。(5) 圓偏振光 迎著光線看，如果電矢量末端的軌跡為一個(gè)圓，則這樣的光稱為圓偏振光。圓偏振光可視為長、短軸相等的橢圓偏振光。圖 27-4橢圓偏振光2、布儒斯特定律反射光的偏振與布儒斯特

3、定律如圖 27-5 所示，光在兩介質(zhì)（如空氣和玻璃片等）界面上，反射光和折射光（透射光）都是部分偏振光。當(dāng)反射光線與折射光線的夾角恰為90°時(shí)，反射光為線偏振光，其電矢量振動(dòng)方向垂直于入射光線與界面法線所決定的平面（入射面）。此時(shí)的透射光中包含平行于入射面的偏振光的全部以及垂直于入射面的偏振光的其余部分，所以透射光仍為部分偏振光。由折射定律很容易導(dǎo)出此時(shí)的入射角滿足關(guān)系tann2(27-1)n1(27-1) 式稱為布儒斯特定律，入射角稱為布儒斯特角，或稱為起偏角。若光從空氣入射到玻璃（n2 約為 1.5 ），起偏角約 56°。3、偏振片、起偏和檢偏、馬呂斯定律(1) 由二向

4、色性晶體的選擇吸收所產(chǎn)生的偏振偏振片P1P2I '自然光偏振光自然光I 0起偏器檢偏器圖 a偏振片起偏圖 b 起偏和檢偏圖 27-6偏振片有些晶體（如電氣石）、長鏈分子晶體（如高碘硫酸奎寧），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。在兩平板玻璃間，夾一層二向色性很強(qiáng)的物質(zhì)就制成了偏振片。自然光通過偏振片時(shí)，一個(gè)方向的電矢量幾乎完全通過（該方向稱為偏振片的偏振化方向），而與偏振化方向垂直的電矢量則幾乎被完全吸收，因此透射光就成為線偏振光。根據(jù)這一特性，偏振片既可用來產(chǎn)生偏振光（起偏），也可用于檢驗(yàn)光的偏振狀態(tài)（檢偏）。(2) 馬呂斯定律用強(qiáng)度為 I0 的

5、線偏振光入射，透過偏振片的光強(qiáng)為I，則有如下關(guān)系II 0 cos2(27-2)(27-2) 式稱為馬呂斯定律。是入射光的E 矢量振動(dòng)方向和檢偏器偏振化方向之間的夾角。以入射光線為軸轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片，如果透射光強(qiáng)I 有變化，且轉(zhuǎn)動(dòng)到某位置時(shí)I 0，則表明入射光為線偏振光，此時(shí) 90°。4、波片(1) 兩個(gè)互相垂直的、同頻率的簡諧振動(dòng)的合成設(shè)有兩各互相垂直且同頻率的簡諧振動(dòng)，它們的運(yùn)動(dòng)方程分別為xA1 cos(t1 )yA2 cos(t2 )(27-3)合運(yùn)動(dòng)是這兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)之和，消去參數(shù)t ，得到合運(yùn)動(dòng)矢量末端運(yùn)動(dòng)軌跡方程為x 2y 22xy cos( 21 )sin2 ( 21 )A12A2

6、2A1 A2(27-4)上式表明，一般情況下，合振動(dòng)矢量末端運(yùn)動(dòng)軌跡是橢圓，該橢圓在2 A12 A2的矩形范圍內(nèi)。如果(27-3)式表示的是兩線偏振光，則疊加后一般成為橢圓偏振光。下面討論相位差21 為幾種特殊值的情況。當(dāng)2k（ k =0, ± 1,± 2, ）時(shí)， (27-4)式變?yōu)閤y(27-5)A1A2合振動(dòng)矢量末端運(yùn)動(dòng)軌跡是上述矩形的對(duì)角線，與y 軸的夾角為。這就是說，相互垂直的、同相位的兩線偏振光合成后仍為線偏振光，但E 振動(dòng)有新的取向。當(dāng)( 2k1)（ k =0,±1, ± 2, ）時(shí)， (27-4)式變?yōu)閤y(27-6)A1A2(27-6)

7、 式表明，相互垂直的、相位相反的兩線偏振光合成后也是線偏振光，E 振動(dòng)方向與y 軸的夾角也是，但在 y 軸的另一側(cè)。當(dāng)(2k1)（ k =0,± 1,±2, ）時(shí)， (27-4)式變?yōu)?x2y21(27-7)A12A22此時(shí)，合振動(dòng)矢量末端運(yùn)動(dòng)軌跡是正立在上述矩形內(nèi)的橢圓。即相互垂直的、相位差是/ 2 的兩線偏振光合成為橢圓偏振光，橢圓的長半軸和短半軸分別等于兩線偏振光的振幅。 根據(jù)情況，且A1=A 2=A ，則 (27-4)式變?yōu)閤2y 2A2(27-8)即振幅相等的、相互垂直的、相位差是/ 2的兩線偏振光合成為圓偏振光。(2) 雙折射晶體光軸e光o光圖 27-7 雙折射

8、一束自然光在入射到某些各向異性晶體上時(shí)，能夠被分成振動(dòng)方向相互垂直的兩束線偏振光，分別稱為e 光和 o 光。它們以不同的速度、沿不同的方向在晶體內(nèi)傳播，如圖27-7 所示。這種現(xiàn)象稱為雙折射，這些晶體稱為雙折射晶體，如方解石、石英等。方解石nen0 ，稱“負(fù)晶體” ，石英 nen0稱“正晶體” 。在雙折射晶體內(nèi)有一個(gè)被稱為光軸的特殊方向。光線在晶體內(nèi)沿光軸傳播時(shí)，不發(fā)生雙折射；平行于光軸傳播時(shí)，e 光和 o 光沿同一方向傳播不再分離，但傳播速度仍是不同。把雙折射晶體沿光軸切割并磨制成平行平板，這就是波片。一束線偏振光垂直入射到波片表面，被分解成e 光和 o 光。 e 光的 E 矢量振動(dòng)方向平行

9、于光軸，o 光的 E 矢量振動(dòng)方向垂直于光軸，入射時(shí)它們之間的光程差為零，相位差0。因?yàn)?e 光和 o 光傳播速度不同，當(dāng)從波片的第二表面出射時(shí)，它們之間就有了光程差，相位差也不再為零。在選定了晶體之后，對(duì)于某一波長的單色光，只取決于波片的厚度, 即2noneL（ 27-9 ）式中的是單色光波長，no 和 ne 是 o 光和 e 光的折射率， L 為晶片厚度。由于 o 光、 e 光的振動(dòng)方向相互垂直，取e光軸為 x 方向，沿x 軸、 y 軸的光矢量分別為 Ex 和 Ey，則有E x2E y22E x E yco ssin2（27-10 ）Ae2Ao2Ae Ao因此，根據(jù)（27-10）式，就有如

10、下推論：當(dāng)2k時(shí)，為線偏振光；當(dāng)2k1時(shí)，為線偏振光；當(dāng)k1時(shí)，為正橢圓偏振光；2晶片平面Ae偏振光Ao光軸當(dāng)不等于以上各值時(shí)，為橢圓偏振光。在空氣中在玻片內(nèi)光軸圖 27-8波片中的 e 光和 o 光(3)/2波片和/4波片對(duì)某一波長為的單色光， 產(chǎn)生2k1相位差的晶片稱為該單色光的半波片。對(duì)某一波長為的單色光， 產(chǎn)生k1相2位差的晶片稱為該單色光的/4波片。A oA光軸方向A e當(dāng)線偏振光垂直人射到/ 4波片上時(shí)，且其振動(dòng)方向與波片光軸成角，如圖 27-9所示，由于o 光和 e 光的振幅是的函數(shù)，所以，合成光的振幅A 因角不同而不同。當(dāng)0 或2時(shí)，AO0 或 Ae0 ，為線偏振光；當(dāng)4時(shí)，

11、AOAe ，為圓偏振光；當(dāng)為其他角度時(shí)，為橢圓偏振光。圖 27-9 偏振片通過/ 4 波片示意圖光的種類自然光圓偏振光線偏振光部分偏振光橢圓偏振光三、實(shí)驗(yàn)儀器表 27-1鑒別光的偏振態(tài)僅使用偏振器，并使其旋轉(zhuǎn)/ 4 片+偏振片光強(qiáng)不變，不消光光強(qiáng)不變，不消光光強(qiáng)不變，不消光消光光強(qiáng)改變，消光，可以鑒定光強(qiáng)改變，但不消光光強(qiáng)改變，但不消光光強(qiáng)改變，但不消光消光1、白光源（ GY-6A）2 、凸透鏡（ f= 150mm ）3、二維調(diào)節(jié)架（ SZ-07 ） 4、可調(diào)狹縫（ SZ-27）5、光學(xué)測(cè)角臺(tái)（ SZ-47 ）6、升降調(diào)節(jié)座 (SZ-03)7、黑玻璃鏡8 、偏振片9 、X軸旋轉(zhuǎn)二維架 (SZ-

12、06) 10、11、升降調(diào)節(jié)座 (SZ-03)12、二維平移底座（SZ-02 ）。另需鈉燈、氦氖激光器、/ 4波片（633nm）及架、冰洲石及轉(zhuǎn)動(dòng)架和擴(kuò)束器、觀察屏等。圖 27-10實(shí)驗(yàn)裝置示意圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、起偏與檢偏按圖 27-10 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），近似平行光束通過狹縫，向光學(xué)分度盤中心的黑玻璃鏡入射，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，對(duì)任意入射角，利用偏振片和X 軸旋轉(zhuǎn)二維架組成的檢偏器檢驗(yàn)反射光的偏振態(tài)。2、利用布儒斯特定律測(cè)定玻璃的折射率（1 ）在圖 27-10 中，當(dāng)光束以布儒斯特角i B 入射時(shí)，反射的線偏振光

13、可被檢偏器消除（對(duì)n=1.51， iB=57 0）。該入射角需反復(fù)仔細(xì)校準(zhǔn)。因線偏振光的振動(dòng)面垂直于入射面，按檢偏器消光方位可以定出偏振片的易透射軸。（ 2）測(cè)出起偏角 iB 并按（ 27-1 ）式計(jì)算出玻璃的折射率。（ 3）檢查此時(shí)透射光的狀態(tài)。3、驗(yàn)證馬呂斯定律如圖 27-11 所示，使鈉光通過偏振片A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B 在轉(zhuǎn)動(dòng)中檢偏振，分析透射光的光強(qiáng)變化與角度的關(guān)系。4、橢圓偏振光的分析使激光束通過擴(kuò)束器（f= 4.5mm）或（ f= 6.5mm ）、狹縫和黑玻璃鏡產(chǎn)生線偏振光，在通過/ 4 波片之后，用裝在X 軸旋轉(zhuǎn)二維架上的偏振片在旋轉(zhuǎn)中觀察透

14、射光光強(qiáng)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），在暗位置，檢偏器的透振方向即橢圓的短軸方向。5、圓偏振光的分析在透振軸正交的二偏振片之間加入/ 4 波片，旋轉(zhuǎn)至透射光強(qiáng)恢復(fù)為零處，從該位置在轉(zhuǎn)動(dòng)450，即可產(chǎn)生圓偏振光。此時(shí)若用檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)檢查，在觀察屏（白屏）上的透射光強(qiáng)應(yīng)是不變的。觀察圓偏振光和橢圓偏振光的具體做法是：(1)按圖 27-11 調(diào)整偏振片A 和 B 的位置使通過的光消失，然后插入一片1/4 波片 C 1（注意使光線盡量穿過元件中心）。(2)以光線為軸，先轉(zhuǎn)動(dòng)C1消光，然后使B 轉(zhuǎn) 3600 ， 觀察現(xiàn)象。(3)再將 C 1 從消光位置轉(zhuǎn)過00000027-1

15、中。30、45 、60、 75、 90 ，每次以光線為軸，將B 轉(zhuǎn) 360 觀察現(xiàn)象，將上面幾次實(shí)驗(yàn)的情況記錄在表6、利用冰洲石及可轉(zhuǎn)動(dòng)支架，可以觀察和分析該晶體的雙折射現(xiàn)象。讓自然光（如鈉光）通過支架上的一個(gè)小孔入射冰洲石晶體，用眼睛在適當(dāng)距離能夠看到光束一分為二；轉(zhuǎn)動(dòng)支架，又能判別尋常光（o 光）和非常光（ e 光）。然后用檢偏器確定o 光和 e 光偏振方向的關(guān)系。五、數(shù)據(jù)記錄與處理1、將各直接測(cè)量值的原始數(shù)據(jù)用列表法表示。2、要計(jì)算玻璃折射率測(cè)量的誤差，并寫出最后結(jié)果。表 27-1產(chǎn)生圓偏振光和橢圓偏振光的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表C1 轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動(dòng) B 時(shí)觀察現(xiàn)象經(jīng) C 1 后光的偏振態(tài)簡要理由00300450600750900六、思考題（一）預(yù)習(xí)自測(cè)題1、兩偏振片的偏振化方向相互垂直放置，稱之為正交偏振片光束不能通過正交偏振片此時(shí)稱為消光。在正交偏振片間插人一波片，為什么光可以通過？2、轉(zhuǎn)動(dòng)正交偏振片間的波片一周，有幾次消光？根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象，能否判斷波片光軸與偏振片的偏振化方向之間的