偏振光的產(chǎn)生與檢測

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹浚?）通過觀看光的偏振現(xiàn)象，加深對(duì)光波傳播規(guī)律的熟悉；（2）把握偏振光的產(chǎn)生和查驗(yàn)方式；（3）觀測圓偏振光和橢圓偏振光.【實(shí)驗(yàn)裝置】光具座、激光器、白光源、光功率計(jì)、起偏器、檢偏器、1/4波片、1/2波片、帶小孔光屏【實(shí)驗(yàn)原理】偏振光的概念光的波動(dòng)的形式在空間傳播屬于電磁波，它的電矢量E與磁矢量H彼此垂直，且E和H均垂直于光的傳播方向，如圖3-12-1所示，故光波是橫波.實(shí)驗(yàn)證明光效應(yīng)要緊由電場引發(fā)，因此電矢量E的方向定為光的振動(dòng)方向.圖3-12-1光傳播與振動(dòng)示用意自然光源（如日光，各類照明燈等）發(fā)射的光是由組成那個(gè)光源的大量分子或原子發(fā)出的光波的合成.這些分子或原子的熱運(yùn)動(dòng)和輻射是隨機(jī)的，它們所發(fā)射的光振動(dòng)，出此刻各個(gè)方向的概率相等，如此的光叫做自然光.但是自然光通過媒質(zhì)的反射、折射或吸收后，在某一方向上振動(dòng)比另外方向上強(qiáng)，這種光稱為部份偏振光若是光振動(dòng)始終被限制在某一確信的平面內(nèi)，那么稱為平面偏振光，也稱為線偏振光或完全偏振光偏振光電矢量E的端點(diǎn)在垂直于傳播方向的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡是一圓周的，稱為圓偏振光，是一橢圓的那么稱為橢圓偏振光.取得線偏振光的方式（1）反射式起偏器（或透射式起偏器）當(dāng)自然光在兩種介質(zhì)的界面上反射或折射時(shí)，反射光和折射光都將成為部份偏振光慢慢增大入射角，當(dāng)達(dá)到某一特定值時(shí)，反射光成為完全偏振光，其振動(dòng)面垂直于入射面，如圖3-12-2起偏角（亦稱布儒斯持角）.圖3-12-2反射起偏光路圖由布儒斯特定律可得,-ntani=t°n1(3-12-1)例如當(dāng)光由空氣射向n的玻璃平面時(shí)，i°=57°.假設(shè)入射光以起偏角i射到玻璃面上，那么反射光為全偏振光，面折射光不是全偏振°光，但這時(shí)它的偏振化程度最高.如使自然光以起偏角1°入射并透過量層玻璃(稱玻璃片堆).那么透射出來的光也將接近于全偏振光，它的振動(dòng)面與入射面平行晶體起偏器利用某些晶體的雙折射現(xiàn)象，也可取得全偏振光，如尼科爾棱鏡等偏振片(分子型薄膜偏振片)聚乙烯醇膠膜內(nèi)部含有刷狀結(jié)構(gòu)的鏈狀分子，在膠膜被拉伸時(shí)，這些鏈狀分子被拉直并平行排列在拉伸方向上.由于吸收作用，拉伸過的薄膜只許諾振動(dòng)取向平行于分子排列方向(此方向稱為偏振片的偏振軸)的光通過.利用它可取得線偏振光.偏振片是一種經(jīng)常使用的“起偏”元件，用它可取得截面積較大的偏振光束.而且出射偏振光的偏振化程度可達(dá)98%.辨別光的偏振狀態(tài)的進(jìn)程稱為檢偏，它所用的裝置稱為檢偏器事實(shí)上，起偏器和檢偏器是通用的，用于起偏的偏振片稱為起偏器，把它用于檢偏，就成為檢偏器了.依照馬呂斯定律，強(qiáng)度為I的線偏振光，通過檢偏器后.透射光的強(qiáng)度為：°I=I°cos29(3-12-2)式中9為入射光偏振方向與檢偏器偏振軸之間的夾角.顯然，當(dāng)以光線傳播方向?yàn)檩S轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器時(shí)，透射光強(qiáng)度將會(huì)發(fā)生周期性轉(zhuǎn)變.當(dāng)9=0°時(shí)，透射光強(qiáng)度最大(如圖3-12-3(a)所示)；當(dāng)9=90。時(shí)，透射光強(qiáng)度為極小(消光狀態(tài)(如圖3-12-3(b)所示)，接

近于全暗；當(dāng)0°<0<90。時(shí)，透射光強(qiáng)度介于最大和最小之間.因此，依照透射光強(qiáng)度轉(zhuǎn)變情形，能夠區(qū)別線偏振光、自然光和部份偏振光.圖3-12-3表示自然光通過起偏器和檢偏器的轉(zhuǎn)變情形.本實(shí)驗(yàn)是利用偏振片圖3-12-3自然光通過起偏器和偏振器的情形（起偏器和檢偏器）觀看偏振光的偏振情形3.波片的偏光作用波片也稱相位延遲片是由晶體制成的厚度均勻的薄片，其光軸與薄片表面平行，它能使晶片內(nèi)的。光和e光通過晶片后產(chǎn)生附加相位差.依照薄片的厚度不同，能夠分為1/2波長片，1/4波長片等，所用的1/二、1/4波長片皆是對(duì)鈉光而言的.當(dāng)線偏振光垂直射到厚度為，表面平行于自身光軸的單軸晶片時(shí)，那么尋常光光）和超級(jí)光（e光）沿同一方眼前進(jìn)，但傳播的速度不同這兩種偏振光通過晶片后它們的相位差）為:(3-12-3)偏器的轉(zhuǎn)變情形.本實(shí)驗(yàn)是利用偏振片圖3-12-3自然光通過起偏器和偏振器的情形（起偏器和檢偏器）觀看偏振光的偏振情形3.波片的偏光作用波片也稱相位延遲片是由晶體制成的厚度均勻的薄片，其光軸與薄片表面平行，它能使晶片內(nèi)的。光和e光通過晶片后產(chǎn)生附加相位差.依照薄片的厚度不同，能夠分為1/2波長片，1/4波長片等，所用的1/二、1/4波長片皆是對(duì)鈉光而言的.當(dāng)線偏振光垂直射到厚度為，表面平行于自身光軸的單軸晶片時(shí)，那么尋常光光）和超級(jí)光（e光）沿同一方眼前進(jìn)，但傳播的速度不同這兩種偏振光通過晶片后它們的相位差）為:(3-12-3)其中，，為入射偏振光在真空中的波長，％叫別離為晶片對(duì)。光e光的折射率，L為晶片的厚度.咱們明白，兩個(gè)相互垂直的，同頻率且有固定相位差的簡諧振動(dòng)，可用以下方程表示（通過晶片后。光和e光的振動(dòng)）:X=Asin①tY=Asin（ot+中）o從兩式中消去t，經(jīng)三角運(yùn)算后取得全振動(dòng)的方程式為:X2Y22XY.+cos中=sin2中AAeo1A2A2(3-12-4)由式（3-12-4）可知:2，）時(shí)，為線偏振光；②當(dāng)中=(2K+1)n(k=022，時(shí)，為正橢圓偏振光，在A。=Ae時(shí)，為圓偏振光；③當(dāng)中為其他值時(shí)，為橢圓偏振光.在某一波長的線偏振光垂直入射于晶片的情形下，能使o光和e光產(chǎn)生相位差甲=（2K+1）兀（相當(dāng)于光程差為九/2的奇數(shù)倍）的晶片，稱為對(duì)應(yīng)于該單色光的二分之一波片（九/2波片），與此相似，能使o光和e光產(chǎn)生相位中=（2K+1）2（相當(dāng)于光程差為入/4的奇數(shù)倍）的晶片，稱為四分之一波片（九/4波片）.本實(shí)驗(yàn)中所用波片（入/4）是對(duì)6328A（He-Ne激光）而言的.如圖3-12-4所示，當(dāng)振幅為A的線偏振光垂直入射到入/4波片上，其振動(dòng)方向與波片光軸成9角時(shí)，由于。光和e光（通過波晶片后）的振幅別離為Asin0和Acos0，因此通過入/4波片后合成的偏振狀態(tài)也隨角度9的轉(zhuǎn)變而不同.當(dāng)9=0°時(shí)，取得振動(dòng)方向平行于光軸的線偏振光；當(dāng)9=兀/2時(shí)，取得振動(dòng)方向垂直于光軸的線偏振光；當(dāng)9=兀/4時(shí)，同時(shí)Ae=A。取得圓偏振光；當(dāng)9為其他值時(shí)，通過入/4波片后為橢圓偏振光.圖3-12-4圖3-12-4圖3-12-5圖3-12-5橢圓偏振光的測量橢圓偏振光的測量包括長、短軸之比及長、短軸方位的測定.如圖3-29所示，當(dāng)檢偏器方位與橢圓長軸的夾角為9時(shí)，那么透射光強(qiáng)為：(3-12-5)I=A2cos2甲+A2sin2甲(3-12-5)(3-12-6)I=I=A2

max1(3-12-6)當(dāng)9=(2K+1)n時(shí)那么橢圓長短軸之比為—1=■'max(3_12~8)A2Mm橢圓長軸的方位即為I的方位.max【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟】起偏與檢偏辨別自然光與偏振光如圖3-12-6所示，在光源至光屏的光路上插入起偏器P「旋轉(zhuǎn)P「觀看光屏上光斑強(qiáng)度的轉(zhuǎn)變情形；單色自然光源起偏器H1/4波片檢慌器R光屏圖3-12-6在起偏器七后面再插入檢偏器P2，固定七方位，旋轉(zhuǎn)P2，旋轉(zhuǎn)360°，觀看光屏上光斑強(qiáng)度的轉(zhuǎn)變情形，并將光屏上最強(qiáng)和最弱時(shí)的對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度記錄到表3-12-1中；以光功率計(jì)代替光屏接收P2出射的光束，旋轉(zhuǎn)P2,每轉(zhuǎn)過10°記錄一次相應(yīng)的光功率值，共轉(zhuǎn)180°，將相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄到表3-12-2中，且利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在座標(biāo)紙上作出I?COS20關(guān)系曲線，看其是不是與馬呂斯定律相一致.觀測橢圓偏振光和圓偏振光參照?qǐng)D3-12-3(b)所示，先使起偏器七和檢偏器P2偏振軸垂直(即檢偏器P2后的光屏上處于消光狀態(tài))，在起偏器P1和檢偏器七之間插入入/4波片(如圖3-12-6)，轉(zhuǎn)動(dòng)波片使P2后的光屏上仍處于消光狀態(tài)(使入/4波片光軸與起偏器七透光軸方向平行).用光功率計(jì)取代光屏.將起偏器七轉(zhuǎn)過20°，調(diào)劑光功率計(jì)的位置盡可能使得P2透射出的偏振光全數(shù)進(jìn)入光功率計(jì)的同意范圍.轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器P2找出功率最大的位置，并記下相應(yīng)光功率值.重復(fù)測量3次，求平均值.轉(zhuǎn)動(dòng)P1，使P1的光軸與X/4波片的光軸的夾角依次為30°、45。、60°、75。、90°值，在取上述每一個(gè)角度時(shí)，都將檢偏器P2轉(zhuǎn)動(dòng)一周，觀看從P2透出光的強(qiáng)度轉(zhuǎn)變.【注意事項(xiàng)】實(shí)驗(yàn)中各元件不能用手摸，實(shí)驗(yàn)完畢后按規(guī)定位置放置好；不要讓激光束直接照射或反射到人眼內(nèi).【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果處置】光屏上光斑強(qiáng)度檢偏器七旋轉(zhuǎn)角度表3-12-2由于在測量位置和實(shí)驗(yàn)條件不變時(shí)，光強(qiáng)度與光功率計(jì)的測量值為近似的線性關(guān)系，因此依照表3-12-2所得數(shù)據(jù)即可用來驗(yàn)證馬呂斯定律I=10cos29【試探與討論題】（1）如何應(yīng)用光的偏振現(xiàn)象說明光的橫波特性？如何區(qū)別自然光和偏振光？（2）玻璃平板在布儒斯特角的位置上時(shí)，反射光束是什么偏振光？它的振動(dòng)是在平行于入射面內(nèi)仍是在垂直于入射面內(nèi)？（3）人/4波片與P1的夾角為何值時(shí)產(chǎn)生圓偏振光？什么緣故？（4）兩片偏振片用支架安置于光具座上，正交后消光，一片不動(dòng)，另一片的2個(gè)表面旋轉(zhuǎn)180°，會(huì)有什么現(xiàn)象？如有出射光，是什么緣故？（5）2片正交偏振片中間再插入一偏振片會(huì)有什么現(xiàn)象？如何說明？（6）波片的厚度與光源的波長什么關(guān)系？【附錄】光學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常使用光源一電光源.常見的有熱輻射光源和氣體放電光源及激光光源3類.熱輻射光源經(jīng)常使用的熱輻射光源是白熾燈.一般燈泡確實(shí)是白熾燈，可作白色光源，應(yīng)按儀器要求和燈泡上指定的電壓利用，如光具座、分光計(jì)、讀數(shù)顯微鏡等.氣體放電光源實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常使用的鈉燈和汞燈（又稱水銀燈）可作為單色光源，它們的工作原理都是以金屬Na或Hg蒸汽在強(qiáng)電場中發(fā)生的游離放電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的弧光放電燈.在220V額定電壓下，低壓鈉燈發(fā)出波長為589.0nm和589.6nm的兩種單色黃光最強(qiáng)，可達(dá)85%，而其他幾種波長為818.0nm和819.1nm等的光僅有15%.因此，在一樣應(yīng)歷時(shí)取589.0nm和589.6nm的平均值589.3nm作為鈉光燈的波長值.汞燈可按其氣壓的高低，分為低壓汞燈、高壓汞燈和超高壓汞燈.低壓汞燈最為經(jīng)常使用，其電源電壓與管端工作電壓別離為220V和20V，正常點(diǎn)燃時(shí)發(fā)出青紫色光，其中要緊包括7種可見的單色光，它們的波長別離是612.35nm（紅）、7nm（綠）、491.60nm（藍(lán)綠）、435.84nm（藍(lán)紫）、404.66nm（紫）.利用鈉燈和汞燈時(shí)，燈管必需與必然規(guī)格的鎮(zhèn)流器（限流器）串聯(lián)后才能接到電源上去，以穩(wěn)固工作電流.鈉燈和汞燈點(diǎn)燃后一樣要預(yù)熱3?4分鐘才能正常工作，熄滅后也需冷卻3?4分鐘后，方可從頭開啟.激光光源激光是20世紀(jì)60年代誕生的新光源.激光（Laser）是“受激輻射光放大”的簡稱.它具有發(fā)光強(qiáng)度大、方向性好、單色性強(qiáng)和相干性好等優(yōu)勢.激光器是產(chǎn)生激光的裝置，它的種類很多，如氦氖激光器、氬離子激光器、二氧化碳激光器、紅寶石激光器等.實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常使用的激光器是氦氖（He-Ne）激光器.它由激光工作的氦氖混合氣體、鼓勵(lì)裝置和光學(xué)諧振腔3部份組成.氦氖激光器發(fā)出的光波波長為632.8nm，輸出功率在幾毫瓦到十幾毫瓦之間，多數(shù)氦氖激光管的管長為