光的偏振特性研究

1、光信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)七光的偏振特性研究實(shí)驗(yàn)7光的偏振特性研究光的干涉衍射現(xiàn)象揭示了光的波動性，但是還不能說明光波是縱波還是橫波。而光的偏振現(xiàn)象清楚地顯示其振動方向與傳播方向垂直，說明光是橫波。1808年法國物理學(xué)家馬呂斯（Malus,1775 1812）研究雙折射時發(fā)現(xiàn)折射的兩束光在兩個互相垂直的平面上偏振。此 后又有布儒斯特（Brewster,1781 1868）定律和色偏振等一些新發(fā)現(xiàn)。光的偏振有別于光的其它性質(zhì)，人的感覺器官不能感覺偏振的存在。光的偏振使人們對光的傳播規(guī)律（反射、折射、吸收和散射）有了新的認(rèn)識。本實(shí)驗(yàn)通過對偏振光的觀察、分析 和測量，加深對光的偏振基本規(guī)律的認(rèn)識和理解。偏振光的

2、應(yīng)用很廣泛，從立體電影、晶體性質(zhì)研究到光學(xué)計量、光彈、薄膜、光通信、 實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析等技術(shù)領(lǐng)域都有巧妙的應(yīng)用。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? .觀察光的偏振現(xiàn)象，了解偏振光的產(chǎn)生方法和檢驗(yàn)方法。2 . 了解波片的作用和用 1/4波片產(chǎn)生橢圓和圓偏振光及其檢驗(yàn)方法。3 .通過布儒斯特角的測定，測得玻璃的折射率。4 .驗(yàn)證馬呂斯定律。、實(shí)驗(yàn)原理1 .自然光和偏振光光是一種電磁波，電磁波中的電矢量E就是光波的振動矢量，稱作光矢量。通常，光源發(fā)出的光波，其電矢量的振動在垂直于光的傳播方向上作無規(guī)則的取向。在與傳播方向垂直的平面內(nèi)，光矢量可能有各種各樣的振動狀態(tài)，被稱為光的偏振態(tài)。光的振動方向和傳播方向所組成的平面稱為振

3、動面。按照光矢量振動的不同狀態(tài)，通常把光波分為自然光、部分偏振光、線偏振光（平面偏振光）、圓偏振光和橢圓偏振光五種形式。如果光矢量的方向是任意的，且在各方向上光矢量大小的時間平均值是相等的，這種光稱為自然光。自然光通過介質(zhì)的反射、折射、吸收和散射后，光波的電矢量的振動在某個方向具有相對優(yōu)勢，而使其分布對傳播方向不再對稱。具有這種取向特征的光， 統(tǒng)稱為偏振光。偏振光可分為部分偏振光、線偏振光（平面偏振光）、圓偏振光和橢圓偏振光。如果光矢量可以采取任何方向， 但不同方向的振幅不同， 某一方向振動的振幅最強(qiáng)， 而與該方向垂 直的方向振動最弱，這種光為部分偏振光。如果光矢量的振動限于某一固定方向，則這

4、種光稱為線偏振光或平面偏振光。如果光矢量的大小和方向隨時間作有規(guī)律的變化，且光矢量的末端在垂直于傳播方向的平面內(nèi)的軌跡是橢圓，則稱為橢圓偏振光；如果是圓則稱為圓偏振光。將自然光變成偏振光的過程稱為起偏，用于起偏的裝置稱為起偏器； 鑒別光的偏振狀態(tài)的過程稱為檢偏，它所使用的裝置稱為檢偏器。實(shí)際上，起偏器和檢偏器是可以通用的。本實(shí)驗(yàn)所用的起偏器和檢偏器均為分子型薄膜偏振片。2 .線偏振光的產(chǎn)生產(chǎn)生線偏振光的方法有反射產(chǎn)生偏振、多次折射產(chǎn)生偏振、雙折射產(chǎn)生偏振和選擇性吸收產(chǎn)生偏振等。（1）反射產(chǎn)生偏振與布儒斯特定律當(dāng)自然光入射到各向同性的兩種介質(zhì)（如空氣和玻璃）分界面時，反射光和透射（折射）光一般為

5、部分偏振光。若改變?nèi)肷浣?，則反射光的偏振程度也隨之改變。設(shè)兩介質(zhì)的折射率分別為n1和n2,可以證明，當(dāng)入射角為某一特定值中p(1)tan'- p = -n2-ni時，反射光變?yōu)榫€偏振光，其振動面垂直于入射面，平行于入射面振動的光反射率為零，而透射光為部分偏振光，如圖1所示，其中C ”表示振動面垂直于入射面的線偏振光，短線-表示振動面平行于入射面的線偏振光，圓圈和短線的數(shù)量表示偏振程度。式（1）稱為布儒斯特定律，Wp為布儒斯特角，或稱起偏振角。根據(jù)光反射的這一特性，就可用調(diào)節(jié)入射角的方法獲得線偏振光，也可以通過測量中p來計算折射率n2。例如，通過測量激光束從空氣射向玻璃表面反射時的布儒斯

6、特角中p可以測定玻璃相對空氣的折射率。圖1用玻璃片產(chǎn)生反射全偏振光（2）透射產(chǎn)生偏振當(dāng)光波的入射角為布儒斯特角時，雖然反射光為線偏振光，但反射率很低（如空氣和玻璃界面，反射光強(qiáng)約為入射光強(qiáng)的8%）。對折射光而言，平行于入射面的振動分量全部透過界面，而垂直于入射面的振動分量僅一小部分被反射，大部分也透過了界面，所以透射光只是偏振化程度不高的部分偏振光。如果自然光以p入射到重疊的互相平行的玻璃片堆上，則經(jīng)過多次折射，最后從玻璃片堆透射出來的光一般是部分偏振光。如果玻璃片數(shù)目足夠多時，則透射光也變?yōu)榫€偏振光，其振動面平行于入射面。（3）晶體雙折射產(chǎn)生偏振當(dāng)一束光射入各向異性的晶體時，產(chǎn)生折射率不同的

7、兩束光的現(xiàn)象稱為雙折射現(xiàn)象。：光垂直于晶體表面入射而產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象時，如果將晶體繞光的入射方向慢慢轉(zhuǎn)動，按原入射方向傳播的那一束光方向不變，這一束折射光的方向滿足折射定律，稱為尋常光（o光），它在介質(zhì)中傳播時，各個方向的速度相同。另一束折射光線隨著晶體的轉(zhuǎn)動繞前一束光旋轉(zhuǎn)， 可見此光束不滿足折射定律， 它在各向異性介質(zhì)內(nèi)的速度隨方向而變，稱為非尋常光（e光）。在一些雙折射晶體中，有一個或幾個方向，。光和e光的傳播速度相同，這個方向稱為晶體的光軸。光線在晶體內(nèi)沿光軸傳播時，不發(fā)生雙折射，垂直于光軸傳播時，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。光軸和光線構(gòu)成的平面稱為主截面。o光和

8、e光都是線偏振光，但其振動方向不同。o光電矢量振動方向垂直于自己的主截面，e光的電矢量振動方向在自己的主截面內(nèi)，。光和e光電矢量互相垂直。利用晶體的雙折射現(xiàn)象， 可以做成復(fù)合棱鏡，使其中一束折射光偏離原來的傳播方向而 得到線偏振光。實(shí)驗(yàn)中采用格蘭棱鏡做成的偏振器，用以產(chǎn)生或檢驗(yàn)線偏振光。（4）二向色性產(chǎn)生偏振與偏振片有些晶體材料對自然光在其內(nèi)部產(chǎn)生的偏振分量具有選擇吸收作用，即對一種振動方 向的線偏振光吸收強(qiáng)烈，而對與這一振動方向垂直的線偏振光吸收較少，這種現(xiàn)象稱做二向色性。例如，電氣石天然晶體（鋁硼硅酸鹽）僅需約 1mm的厚度，就能將尋常光完全吸收， 只透過非尋常光，即獲得線偏振光。偏振片是

9、人工制造的具有二向色性的膜片。每個偏振片的最易透過電場分量的方向叫做透振方向，也稱偏振化方向。即當(dāng)光波穿過它時，平行于透振方向振動的光容易透過，垂直于透振方向振動的光則被吸收，從而獲得線偏振光。因此，自然光通過偏振片后，透射光基本上成為電矢量的振動方向與偏振化方向平行的線偏振光。利用這類材料制成的偏振片可獲得較大截面積的偏振光束，但由于吸收不完全，所得的偏振光只能達(dá)到一定的偏振度。實(shí)驗(yàn)室常用偏振片得到偏振光。偏振片既可以用作起偏器又可以作為檢偏器。3.馬呂斯定律如果自然光通過起偏器后變成強(qiáng)度為Io的線偏振光，再通過一個理想檢偏器后，成為強(qiáng)度為I的線偏振光，其透射光的強(qiáng)度為I = Io cos2

10、 日（2）此式稱為馬呂斯定律。 其中0為起偏器與檢偏器兩個透振方向之間的夾角， 改變0角可以改 變透過檢偏器的光強(qiáng)。根據(jù)馬呂斯定律，線偏振光透過檢偏器的光強(qiáng)隨偏振面和檢偏器的偏振化方向之間夾角 e將發(fā)生周期性變化。 當(dāng)a為o或兀時，透射光強(qiáng)度最大；而當(dāng)日為一或23 二3時，透射光強(qiáng)度為零，即當(dāng)檢偏器轉(zhuǎn)動一周會出現(xiàn)兩次消光現(xiàn)象。如用普通偏振片做檢2偏器，則需引入透射系數(shù) k,式（2）可改為I =kIo cos2 1（3）顯然，當(dāng)以光的傳播方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)檢偏器時，每轉(zhuǎn)900透射光強(qiáng)將交替出現(xiàn)極大和消光位置。如果部分偏振光或橢圓偏振光通過檢偏器，當(dāng)旋轉(zhuǎn)檢偏器時，雖然透射光強(qiáng)每隔900 也從極大變?yōu)闃O小

11、，再由極小變?yōu)闃O大，但無消光位置。而圓偏振光通過檢偏器，當(dāng)旋轉(zhuǎn)檢 偏器時，透射光強(qiáng)則無變化。4 .橢圓偏振光和圓偏振光的產(chǎn)生若使線偏振光垂直射入厚度為 d的晶體中，發(fā)生雙折射現(xiàn)象。設(shè)晶體對o光和e光的折射率分別為n°和小,則通過晶體后兩束光的光程差為6=(n0-%)d(4)經(jīng)過晶體后，其位相差為2 二華=(n。ne)d九其中入是光在真空中的波長。如果以平行光軸方向?yàn)?x坐標(biāo)，垂直方向?yàn)?y坐標(biāo)，由晶片出射后的 o光和e光的振 動可以用兩個互相垂直、同頻率、有固定位相差的簡諧振動方程式表示：x = Aesin «t(6)y = Aosin( -t ：/)兩式聯(lián)立消去t,可得合

12、振動方程:22(8)餐$ y cos ：sin2.)A2A2AeAo一般來說，此式為橢圓方程，合振動矢量的端點(diǎn)軌跡，一般是橢圓，因此稱為橢圓偏振光。決定橢圓形的因素是入射光的振動方向與光軸的夾角”和晶片的厚度do但是，當(dāng)平=2kn (k=1, 2, 3,)或平=(2k+1)n (k=0, 1,2,)(9)時，式(8)變?yōu)橹本€方程Ae Ae,、x =y或 x =y(10)AoAo代表兩個不同方向振動的線偏振光。而當(dāng)打中=(2k+1) (k=0, 1, 2,)(11)2時，光程差、=(n° -%)d =(2k 1)4l 12 7式(8)成為正橢圓方程。當(dāng) 口 =45°時，Ae

13、= Ao合振動就是圓偏振光。把雙折射晶體沿光軸切割成平行平板，平板表面平行于光軸，這就是晶片。能使振動互相垂直的兩束線偏振光產(chǎn)生一定位相差的晶片叫做波片。選定晶體后，對于某一波長的單色光，邛只取決于波片的厚度。波片是從單軸雙折射晶體上平行于光軸方向截下的薄片，它可以改變偏振光的偏振態(tài)。 當(dāng)中=2kn （k= 1, 2, 3,）時，光程差（=（n。%）d = k九或d =no - ne '即這樣的晶片能使 o光和e光產(chǎn)生k%的光程差，稱為全波片（或 入波片）。此時由式（8） 可得直線方程，表示合振動為線偏振光（與入射線偏振光方向平行）。（2）當(dāng)中=（2k+1）n （k=0, 1, 2,）

14、時，則光程差 6 =（n。%）d =（2k+1）。此時晶片的厚度可使 o光和e光產(chǎn)生（2k+1）土光程差，稱為二分之一波片（或波片）由 22式（8）得直線方程，表示合振動仍為線偏振光（但與入射光的振動方向有2 a的夾角）。（3）當(dāng) AQ>=（2k +1加/2 （k=0, 1, 2,）時，則光程差 S =（no -ne）d =（2k + 1）土4，此時晶片的厚度可是 o光和e光產(chǎn)生（2k+1）土光程差，稱為四分之一波片（或波片）由44式（8）得到正橢圓方程。表示合振動為正橢圓偏振光。土波片主要用于產(chǎn)生或檢驗(yàn)橢圓偏4振光和圓偏振光。對于線偏振光垂直射入上波片時，且振動方向與波片光軸成

15、1;角時，合4成的光偏振狀態(tài)還有以下幾種情況當(dāng)口 =0時，A。=0可得到振動方向平行于光軸的線偏振光。JI當(dāng)a =一時 A =0可得到振動方向垂直于光軸的線偏振光。2JI 當(dāng)口=一時 Ao =Ae可得到圓偏振光。4當(dāng)口為其它值時，Ao豐Ae經(jīng)土波片透出的光為橢圓偏振光。圖2偏振光實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)示意1 涂黑反射鏡；2旋轉(zhuǎn)載物臺；3玻璃堆；4白屏；5 半導(dǎo)體激光器及調(diào)整架；6白熾 燈；7一旋光管；8一偏振片組；9 半波片；101/4波片；11 聚光鏡；12 光電接收器；13 檢 流計數(shù)顯箱；14 導(dǎo)軌平臺；15 二維磁力滑座；16 一維磁力滑座三、實(shí)驗(yàn)儀器WZP-1型偏振光實(shí)驗(yàn)儀。1 .儀器簡介WZP

16、-1型偏振光實(shí)驗(yàn)儀由導(dǎo)軌平臺、磁力滑座、光源、偏振部件、光電接收單元和聚 光鏡及白屏（觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象）組成，圖2為其結(jié)構(gòu)示意圖。導(dǎo)軌帶有導(dǎo)向凸臺并附有標(biāo)尺，實(shí)驗(yàn)時根據(jù)需要選擇部件并將磁力滑座的基準(zhǔn)面靠入導(dǎo)軌凸臺，旋轉(zhuǎn)磁力滑座可進(jìn)行升降調(diào)節(jié)使系統(tǒng)達(dá)到同軸。2 .使用方法在導(dǎo)軌平臺上靠近兩端各放置光源及光電接收器，檢流計數(shù)顯箱后面板有兩排插孔，上面兩孔接插硅光電池， 旁邊的換檔開關(guān)向上撥到光電池檔。先對激光器調(diào)焦：把接收器換成白屏，輕旋激光器上調(diào)焦鏡，觀察白屏上光斑最小（約23mm）即可。撤掉白屏換上接收器，如圖3。利用激光器調(diào)整架調(diào)節(jié)光束發(fā)射角度，與二維磁力滑座聯(lián)調(diào)使光信號進(jìn)入接收 器，二維滑座為

17、光電接收器專用。在光路中放置一偏振片，調(diào)到0。，輕旋半導(dǎo)體激光頭使檢流計數(shù)值較大（半導(dǎo)體激光在水平和垂直兩個方向上發(fā)散角的差值較大，這兩方向的光能量也有差別）。若用白熾燈作光源，可用聚光鏡來準(zhǔn)直。圖3實(shí)驗(yàn)裝置圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求1 .起偏和檢偏如圖4所示，在光源和接收器之間放置偏振片，此為起偏器，放置另一偏振片為檢偏器，旋轉(zhuǎn)檢偏器觀察到光強(qiáng)發(fā)生變化。由偏振片轉(zhuǎn)盤刻度值可知，當(dāng)起偏器、檢偏器的偏振化方向平行時，光最強(qiáng)，偏振化方向垂直時，光最暗。將檢偏器旋轉(zhuǎn)一周，光強(qiáng)變化四次，兩明 兩暗。固定檢偏器，旋轉(zhuǎn)起偏器可產(chǎn)生同樣的現(xiàn)象。通過實(shí)驗(yàn)我們知道光通過偏振片后成為偏振光，偏振片起到了起偏器和檢偏器的

18、作用。2 .驗(yàn)證馬呂斯（Malus）定律依照實(shí)驗(yàn)1的方法安置儀器，使起偏器和檢偏器正交，記錄光電接收的示值I,然后將檢偏器間隔1015。轉(zhuǎn)動一次并記錄一次，直至轉(zhuǎn)動90。為止，利用所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證馬呂斯定律。圖4光的起偏和檢偏裝置示意圖表1驗(yàn)證馬呂斯定律數(shù)據(jù)表990°0°I2人cos 0012Iocos 00圖5反射光的偏振3 .根據(jù)布儒斯特角測定介質(zhì)的折射率(1)依圖5配置，在光路中放置載物臺、玻璃堆、偏振片、光電池及白屏。觀察白屏，對激光器進(jìn)行調(diào)焦，按照載物臺以上約三分之二玻璃堆高度調(diào)整入射光，如圖6所示。(2)玻璃堆置于載物臺上，使玻璃堆垂直光軸，此時入射光通過玻璃堆

19、的法線射向光電 池。放入偏振片、白屏。旋轉(zhuǎn)內(nèi)盤使入射光以 50。60。射入玻璃堆，反射光射到白屏上并使 偏振片、白屏與反射光垂直。旋轉(zhuǎn)偏振片，觀察到光的亮度有強(qiáng)、弱變化，說明玻璃堆起到 了起偏器的作用。旋轉(zhuǎn)偏振片使光斑處于較暗的位置，如圖 7所示。(3)轉(zhuǎn)動內(nèi)盤，觀察白屏看反射光亮度的改變，如果亮度漸漸變?nèi)?，再旋轉(zhuǎn)偏振片使亮度更弱。反復(fù)調(diào)整直至亮度最弱， 接近全暗。這時再轉(zhuǎn)偏振片，如果反射光的亮度由黑變亮，再變黑,說明此時反射光已是線偏振光。記下反射光的強(qiáng)度幾乎為零時，度盤的兩個讀數(shù)版和看'。（4）繼續(xù)轉(zhuǎn)動內(nèi)盤，使入射光與玻璃堆的法線同軸并射到光電池上，使數(shù)顯表頭讀數(shù)最大。記下此時度盤

20、的兩個讀數(shù)電和電；_ .1于是，布儒斯特角 后 一（加一起+|“一物。）重復(fù)測量35次，計算平均值中2代入式（1）計算玻璃的折射率n2,并估算折射率n2的不確定度。此方法不是唯一測量方法，可以自己動手設(shè)計其它實(shí)驗(yàn)方法。4 .橢圓偏振光和圓偏振光由物理光學(xué)知道，平面偏振光通過1/4波片后，透射光一般是橢圓偏振光，當(dāng) a =叼'4時（«為平面偏振光的振動方向與波片光軸的夾角），則為圓偏振光；但當(dāng)a = 0和2/2時,橢圓偏振光退化為平面偏振光。也就是說，1/4波片可將平面偏振光變成橢圓偏振光或圓偏振光；也可將橢圓偏振光或圓偏振光變成平面偏振光。如果平面偏振光的振動方向與1/2波片

21、光軸的夾角為 a ,則通過1/2波片后的光仍為平面偏振光，但其振動面相對于入射光的振動面轉(zhuǎn)過2c（角。如圖8所示，在光源前放入兩偏振片，將1/4波片放入兩偏振片之間，并使 1/4波片的光軸與起偏器的偏振化方向成45o角，透過1/4波片的光就是圓偏振光。因?yàn)槿搜鄄荒芊直鎴A、橢圓偏振光，所以借助檢偏器來檢驗(yàn)，旋轉(zhuǎn)檢偏器可在白屏看到在各個方向上光強(qiáng)保持均勻（由于1/4波片的波長與光源的波長不一定能完全匹配，因此光強(qiáng)在各個方向上只是大 體均勻）。圖8圓、橢圓偏振光的產(chǎn)生與檢測如果1/4波片的光軸與起偏的偏振化方向不成45°角，則由波片出來的光為橢圓偏振光，旋轉(zhuǎn)檢偏可看到光強(qiáng)在各個方向上有強(qiáng)弱變化。取下1/4波片，使兩偏振片正交，視場最暗。將 1/2波片（波片的指標(biāo)線對至 0°）放入 兩偏振片之間，使1/2波片的光軸與起偏的偏振化方向成 口角，視場變亮。旋轉(zhuǎn)檢偏使視場 最暗，此時檢偏的轉(zhuǎn)盤刻度相對于起偏器轉(zhuǎn)動了20f角。說明線偏振光經(jīng) 1/2波片后仍為線偏振光，但振動面旋轉(zhuǎn)了 2口角。5 .旋光現(xiàn)象在光源前放入兩偏振片使其正交， 將裝有糖溶液的旋光管放入兩偏振片之間。 由于糖溶 液的旋光作用，視場由暗變亮，將偏振片旋轉(zhuǎn)某一角度后，視場由亮變暗。 說明偏振光透過 旋光物質(zhì)后仍是偏振光，但其振動面旋轉(zhuǎn)了一個角度。五、預(yù)習(xí)要求1 . WZP-1型偏