光的偏振特性研究

光信息技術試驗七光的偏振特性爭論光信息技術試驗七光的偏振特性爭論試驗7 光的偏振特性爭論振現(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年法國物理學家馬呂斯〔Malus,1775—1812〕爭論雙折射時覺察折射的兩束光在兩個相互垂直的平面上偏振。此后又有布儒斯特〔Brewster,1781—1868〕定律和色偏振等一些覺察。光的傳播規(guī)律(反射、折射、吸取和散射)有了的生疏。本試驗通過對偏振光的觀看、分析和測量，加深對光的偏振根本規(guī)律的生疏和理解。偏振光的應用很廣泛，從立體電影、晶體性質(zhì)爭論到光學計量、光彈、薄膜、光通信、試驗應力分析等技術領域都有奇異的應用。一、試驗目的觀看光的偏振現(xiàn)象，了解偏振光的產(chǎn)生方法和檢驗方法。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方法。通過布儒斯特角的測定，測得玻璃的折射率。驗證馬呂斯定律。二、試驗原理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。偏振光可分為局部偏振光、線偏振光〔平面偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光。假設光光。所用的起偏器和檢偏器均為分子型薄膜偏振片。光信息技術試驗七光的偏振特性爭論線偏振光的產(chǎn)生產(chǎn)生偏振等。反射產(chǎn)生偏振與布儒斯特定律〔如空氣和玻璃〔折射〕分別為n和n，可以證明，當入射角為某一特定值1 2 ptanp

2 〔1〕nnn1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，而透射光為局部偏振光如圖1所示其中“ ”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，

為布儒斯特角，或稱起偏振角。依據(jù)光反射的這一特性，就可用調(diào)整入射角p來計算折射率n。例如，通過測量激光束從空氣p 2射向玻璃外表反射時的布儒斯特角

可以測定玻璃相對空氣的折射率。p透射產(chǎn)生偏振

圖1 用玻璃片產(chǎn)生反射全偏振光當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，反射光強約為入射光強的％光只是偏振化程度不高的局部偏振光。假設自然光以

入射到重疊的相互平行的玻璃片堆p夠多時，則透射光也變?yōu)榫€偏振光，其振動面平行于入射面。晶體雙折射產(chǎn)生偏振光信息技術試驗七光的偏振特性爭論光信息技術試驗七光的偏振特性爭論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，〔e光。在一些雙折射晶體中，有一個或幾個方向，o光和e光的傳播速度一樣，這個方向稱為晶體o光沿同一o光和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)，o光和e光電矢量相互垂直。得到線偏振光。試驗中承受格蘭棱鏡做成的偏振器，用以產(chǎn)生或檢驗線偏振光。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)生的偏振重量具有選擇吸取作用，即對一種振動方色性。例如，電氣石自然晶體〔鋁硼硅酸鹽〕1mm的厚度，就能將尋常光完全吸取，只透過非尋常光，即獲得線偏振光。偏振片是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重量的方向叫根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驗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．馬呂斯定律假設自然光通過起偏器后變成強度為I的線偏振光，再通過一個抱負檢偏器后，成為0I的線偏振光，其透射光的強度為0I=Icos2 〔2〕0角可以轉(zhuǎn)變振化方向之間夾角02或3時，透射光強度為零，即當檢偏器轉(zhuǎn)動一周會消滅兩次消光現(xiàn)象。如用一般偏振片做檢2偏器，則需引入透射系數(shù)k，式〔2〕可改為I=kI0cos2 (3)明顯，當以光的傳播方向為軸旋轉(zhuǎn)檢偏器時，每轉(zhuǎn)900透射光強將交替消滅極大和消光位置。假設局部偏振光或橢圓偏振光通過檢偏器，當旋轉(zhuǎn)檢偏器時，雖然透射光強每隔900偏器時，透射光強則無變化。4．橢圓偏振光和圓偏振光的產(chǎn)生do光和e光的折射率分別為n和n，則通過晶體后兩束光的光程差為0 e經(jīng)過晶體后，其位相差為

(no

n)de

〔4〕λ是光在真空中的波長。

2

(nno

)d 〔5〕假設以平行光軸方向為xyoe光的振動可以用兩個相互垂直、同頻率、有固定位相差的簡諧振動方程式表示：xAe

sint 〔6〕yAo

sin(t) 〔7〕兩式聯(lián)立消去t，可得合振動方程：x2 y2 2xy cos()sin2() 〔8〕A2 A2 AAe o e o一般來說，此式為橢圓方程，合振動矢量的端點軌跡，一般是橢圓，因此稱為橢圓偏振光。打算橢圓形的因素是入射光的振動方向與光軸的夾角αd。但是，當2k 〔k=1，2，3，…〕或(2k1) 〔k=0，1，2，…〕 〔9〕時，式〔8〕變?yōu)橹本€方程

Ax eAAo

y或x ey 〔10〕AAAo代表兩個不同方向振動的線偏振光。而當(2k1)2

〔k=0，1，2，…〕 〔11〕時，光程差

(no

n)d(2k1)e 4 〔12〕式〔8〕成為正橢圓方程。當45oAe

A合振動就是圓偏振光。o光信息技術試驗七光的偏振特性爭論光，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，它可以轉(zhuǎn)變偏振光的偏振態(tài)。(1)當2k〔k＝1，2，3，…〕時，光程差(n

kn)dk或do e nn ，o e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〔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(2k1)〔k=0，1，2，…〕時，則光程差(no

n)d(2k1)e 2。此時晶片的厚度可使o光和e光產(chǎn)生(2k1)2

〔或波片〕由2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2α的夾角。(3)當(2k1)/2〔k=0，1，2，…〕(no

n)d(2k1)e 4，此時晶片的厚度可是o光和e光產(chǎn)生(2k1)4

〔或波片〕由4式〔8〕得到正橢圓方程。表示合振動為正橢圓偏振光。4

波片主要用于產(chǎn)生或檢驗橢圓偏振光和圓偏振光。對于線偏振光垂直射入4成的光偏振狀態(tài)還有以下幾種狀況

波片時，且振動方向與波片光軸成角時，合o①當0時，A 0可得到振動方向平行于光軸的線偏振光。o②當2

Ae

0可得到振動方向垂直于光軸的線偏振光。③當4

Ao

A可得到圓偏振光。e④當Ao

A經(jīng)e 4

波片透出的光為橢圓偏振光。圖2 偏振光試驗儀構造示意光信息技術試驗七光的偏振特性爭論1—涂黑反射鏡；2—旋轉(zhuǎn)載物臺；3—玻璃堆；4—白屏；5—半導體激光器及調(diào)整架；6—白熾燈；7—旋光管；8—偏振片組；9—半波片；10—1/4波片；11—聚光鏡；12—光電接收器；13—檢流計數(shù)顯箱；14—導軌平臺；15—二維磁力滑座；16—一維磁力滑座三、試驗儀器WZP-1型偏振光試驗儀。儀器簡介WZP-1型偏振光試驗儀由導軌平臺、磁力滑座、光源、偏振部件、光電接收單元和聚光鏡及白屏〔觀看試驗現(xiàn)象〕組成，圖2為其構造示意圖。導軌帶有導向凸臺并附有標尺，試驗時依據(jù)需要選擇部件并將磁力滑座的基準面靠入導軌凸臺節(jié)使系統(tǒng)到達同軸。使用方法白屏，輕旋激光器上調(diào)焦鏡，觀看白屏上光斑最小〔約2～3mm〕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)整光束放射角度，與二維磁力滑座聯(lián)調(diào)使光信號進入接收器，二維滑座為光電接收器專用。在光路中放置一偏振片，調(diào)到0°，輕旋半導體激光頭使〔量也有差異。假設用白熾燈作光源，可用聚光鏡來準直。圖3 試驗裝置圖四、試驗內(nèi)容與要求起偏和檢偏如圖4向平行時，光最強，偏振化方向垂直時，光最暗。將檢偏器旋轉(zhuǎn)一周，光強變化四次，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。通過試驗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作用。驗證馬呂斯〔Malus〕定律依照試驗1I，然后將檢偏器間隔10～15°轉(zhuǎn)動一次并記錄一次，直至轉(zhuǎn)動90°為止，利用所得試驗數(shù)據(jù)驗證馬呂斯定律。光信息技術試驗七光的偏振特性爭論圖4 光的起偏和檢偏裝置示意圖θIcos2θ

90°00

表1 驗證馬呂斯定律數(shù)據(jù)表0°1圖5 反射光的偏振圖6 布儒斯特角測定試驗裝置圖依據(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。觀看白屏，對激光器進展調(diào)焦，依據(jù)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的法線射向光電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，觀看到光的亮度有強、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?！?〕轉(zhuǎn)動內(nèi)盤，觀看白屏看反射光亮度的轉(zhuǎn)變，假設亮度漸漸變?nèi)?，再旋轉(zhuǎn)偏振片使亮光信息技術試驗七光的偏振特性爭論光信息技術試驗七光的偏振特性爭論度更弱。說明此時反射光已是線偏振光。登記反射光的強度幾乎為零時，度盤的兩個讀數(shù)φ1和φ1′。圖7 布儒斯特角測定試驗裝置圖〔4〕連續(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)φ2φ2′。ψ

1= (│φ－φ

│+│φ

′－φ

計算平均值 ，p 2 1 2 1 2 p代入式(1)計算玻璃的折射率n，并估算折射率n的不確定度。2 2此方法不是唯一測量方法，可以自己動手設計其它試驗方法。橢圓偏振光和圓偏振光由物理光學知道，平面偏振光通過1/4波片后，透射光一般是橢圓偏振光，4〔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0和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。1/2波片光軸的夾角為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2角。45o角，透過1/4波片的光就是圓偏振光。由于人眼不能區(qū)分均勻〔由于1/445o角，透過1/4波片的光就是圓偏振光。由于人眼不能區(qū)分均勻〔由于1/4波片的波長與光源的波長不肯定能完全匹配，因此光強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)檢偏可看到光強在各個方向上有強弱變化。1/4波片，使兩偏振片正交，視場最暗。將1/2波片〔0°〕放入1/2波片的光軸與起偏的偏振化方向成角，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2角。說明線偏振光經(jīng)1/2波片后仍為線2角。旋光現(xiàn)象旋光物質(zhì)后仍是偏振光，但其振動面旋轉(zhuǎn)了一個角度。五、預習要求WZP-1型偏振光試驗儀的根本構造和使用方法。怎樣測布儒斯特角？把握布儒斯特定律和馬呂斯定律的內(nèi)容。怎樣鑒別一束光是線偏振光？怎樣區(qū)分自然光和圓偏振光；局部偏振光和橢圓偏振光？如何由自然光獲得線偏振光和橢圓偏振光？【留意事項】激光器發(fā)光強度的起伏對試驗有影響，應配置穩(wěn)壓電源，并預熱半小時。儀器應保持清潔，光學件外表灰塵應用皮老虎吹掉，或用脫脂棉輕輕擦拭，切勿用手觸摸外表。導軌面可涂少許潤滑劑。眼睛不要正視激光束，以免造成眼睛的損害。正確調(diào)整激光器的方位，使激光束照耀到硅光電池上。正確使用激光器的強度調(diào)整旋鈕和光電檢流計的衰減旋鈕，使檢流計讀數(shù)較大而又不超過最大量程。在測量光強度時，通過調(diào)整衰減器，以抵消外部光線的影響。光學儀器〔偏振片、波片、反射鏡等〕要輕拿輕放，特別是本試驗所用的偏振片和波片的支架較重，而波片本身又易碎，所以需要格外疼惜。進展光的起偏和檢偏時，起偏器和檢偏器的放置方向要全都；進展反射光的偏振試