偏振光分析與研究實(shí)驗(yàn)

偏振光分析與研究實(shí)驗(yàn)摘要：光的偏振現(xiàn)象是光學(xué)中一種重要現(xiàn)象。是驗(yàn)證光是橫波的重要依據(jù)。本實(shí)驗(yàn)采用SGP-1型偏振光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。對(duì)光的偏振現(xiàn)象作出理論與實(shí)驗(yàn)的解釋，是對(duì)光通過各波片之后的偏振態(tài)變化的分析，和通過計(jì)算采集偏振光的光強(qiáng)進(jìn)行分析與處理，主要是了解光的偏振態(tài)的性質(zhì)，了解波片的作用，驗(yàn)證馬呂斯定律，半波片的作用和1/4波片的作用，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)光路調(diào)節(jié)的練習(xí)。關(guān)鍵字：偏振光、偏振態(tài)、半波片、1/4波片、馬呂斯定律、橢圓偏振光、圓偏振光。引言：光波是一種電磁波、因此，光波的傳播方向就是電磁波的傳播方向，所以光波的速度與電矢量E和磁矢量H相互垂直，而通常H的影響是較小的，在光波的影響中，同時(shí)是E的影響最大，所以通常把E稱為光矢量，即光的偏振態(tài)也是由E來決定，所以光是一種橫波，隨著現(xiàn)代生活、發(fā)展得越來越快，人們對(duì)光的研究和認(rèn)識(shí)也是越來越深。光的偏振性在人們的生活生產(chǎn)中越來越重要。為了使人們對(duì)光的偏振特性有一個(gè)很好的了解，本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)偏振現(xiàn)象的理論分析，并從實(shí)驗(yàn)操作入手，通過觀察光的偏振現(xiàn)象，在只有起偏器和檢偏器和在起偏器與檢偏器之間加入不同的波片，如：半波片、1/4波片時(shí)的偏振現(xiàn)象，并驗(yàn)證馬呂斯定律，讓人們加深對(duì)半波片與1/4波片的作用的了解。問題的提出：半波片和1/4波片的作用：光路的調(diào)節(jié)：觀察光的偏振態(tài)、驗(yàn)證馬呂斯定律掌握偏振光的產(chǎn)生于檢測；二、實(shí)驗(yàn)原理： 按照光的電磁理論，光波就是電磁波，電磁波是橫波，所以光波也是橫波。在大多數(shù)情況下，電磁輻射同物質(zhì)相互作用時(shí)，起主要作用的是電場，因此常以電矢量作為光波的振動(dòng)矢量。其振動(dòng)方向相對(duì)于傳播方向的一種空間取向稱為偏振，光的這種偏振現(xiàn)象是橫波的特征。圖3-26自然光圖3-26自然光1、凡是電振動(dòng)只限于某一確定方向和該方向的負(fù)方向的光稱為線偏振光（亦稱平面偏振光）。在垂直于光傳播方向的任一確定平面內(nèi)，光波電矢量端點(diǎn)隨時(shí)間作橢圓運(yùn)動(dòng)的光稱作橢圓偏振光；作圓運(yùn)動(dòng)的稱作圓偏振光。以上三種統(tǒng)稱完全偏振光，若在垂直于光傳播方向的平面（簡稱迎光平面）內(nèi)，電矢量的取向與大小都隨時(shí)間作無規(guī)則變化，且各方向的取向幾率相同，彼此之間沒有固定的位相關(guān)系，則稱為自然光。自然光和線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光三者的任一個(gè)組合起來，就成為部分偏振光。2．獲得偏振光的方法（1）非金屬鏡面的反射，當(dāng)自然光從空氣照射在折射率為n的非金屬鏡面（如玻璃、水等）上，反射光與折射光都將成為部分偏振光。當(dāng)入射角增大到某一特定值φ0時(shí)，鏡面反射光成為完全偏振光，其振動(dòng)面垂直于射面，這時(shí)入射角φ稱為布儒斯特角，也稱起偏振角，由布儒斯特定律得： （3-51）其中，n為折射率。（2）多層玻璃片的折射，當(dāng)自然光以布儒斯特角入射到疊在一起的多層平行玻璃片上時(shí)，經(jīng)過多次反射后透過的光就近似于線偏振光，其振動(dòng)在入射面內(nèi)。（3）晶體雙折射產(chǎn)生的尋常光（o光）和非常光（e光），均為線偏振光。（4）用偏振片可以得到一定程度的線偏振光。3．偏振片、波片及其作用（1）偏振片偏振片是利用某些有機(jī)化合物晶體的二向色性，將其滲入透明塑料薄膜中，經(jīng)定向拉制而成。它能吸收某一方向振動(dòng)的光，而透過與此垂直方向振動(dòng)的光，由于在應(yīng)用時(shí)起的作用不同而叫法不同，用來產(chǎn)生偏振光的偏振片叫做起偏器，用來檢驗(yàn)偏振光的偏振片叫做檢偏器。按照馬呂斯定律，強(qiáng)度為I0的線偏振光通過檢偏器后，透射光的強(qiáng)度為： （3-52）式中為入射偏振光的偏振方向與檢偏器偏振化方向之間的夾角，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I發(fā)生周期性變化。當(dāng)=0時(shí)，透射光強(qiáng)最大；當(dāng)=90時(shí)，透射光強(qiáng)為極小值（消光狀態(tài)）；當(dāng)0<<90時(shí)，透射光強(qiáng)介于最大和最小之間。自然光通過起偏器后可變?yōu)榫€偏振光，線偏振光振動(dòng)方向與起偏器的透光軸方向一致。因此，如果檢偏器的透光軸與起偏器的透光軸平行，則在檢偏器后面可看到一定光強(qiáng)，如果二者垂直時(shí)，則無光透過，如圖3-27所示。其中（a）圖為起偏器透光軸P1與檢偏器透光軸P2平行的情況；（b）圖為起偏器透光軸P1與檢偏器透光軸P2垂直的情況。此時(shí)透射光強(qiáng)為零，此種現(xiàn)象稱為消光。在實(shí)驗(yàn)中要經(jīng)常利用“消光”現(xiàn)象來判斷光的偏振狀態(tài)。圖3-27偏振光4、布儒斯特角 當(dāng)光從折射率為n1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： ?=tan時(shí)，反射光即成完全偏振光，其振動(dòng)面垂直于入射面。iB稱布儒斯特角，上式即布儒斯特定律。顯然，θB角的大小因相關(guān)物質(zhì)折射率大小而異。若n1表示的是空氣折射率，（數(shù)值近似等于1）上式可寫成： ?=tan 5、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（圖3-2），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，另一成份Ex（=E

cosθ）則被吸收。與此類似，若投射在檢偏器A上的線偏振光的振幅為E0，則透過A的振幅為E0

cosθ（這里θ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θ而變化的關(guān)系為 I=I這就是馬呂斯定律。6、波片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o光和e光通過晶片后產(chǎn)生附加相位差。根據(jù)薄片的厚度不同，可以分為1/2波長片，1/4波長片等，所用的1/2、1/4波長片皆是對(duì)鈉光而言的。當(dāng) （3-53）其中，為入射偏振光在真空中的波長，no和ne分別為晶片對(duì)o光e光的折射率，L為晶片的厚度。7、橢圓偏振光和圓偏振光我們知道，兩個(gè)互相垂直的，同頻率且有固定相位差的簡諧振動(dòng)，可用下列方程表示（通過晶片后o光和e光的振動(dòng)）：從兩式中消去t，經(jīng)三角運(yùn)算后得到全振動(dòng)的方程式為： （3-54）由此式可知；①當(dāng)=K（K

=

0，1.2.……）時(shí)，為線偏振光。②當(dāng)（K

=

0，1.2.……）時(shí)，為正橢圓偏振光。在Ao

=

Ae時(shí)，為圓偏振光。③當(dāng)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況下，能使o光和e光產(chǎn)生相位差=(2K

+

1)（相當(dāng)于光程差為/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（/2波片），與此相似，能使o光和e光產(chǎn)生相位（相當(dāng)于光程差為λ/4的奇數(shù)倍）的晶片，稱為四分之一波片（/4波片）。本實(shí)驗(yàn)中所用波片（/4）是對(duì)6328A（He-Ne激光）而言的。如圖3-28所示，當(dāng)振幅為A的線偏振光垂直入射到/4波片上，振動(dòng)方向與波片光軸成角時(shí)，由于o光和e光的振幅分別為Asin和Acos，所以通過/4波片后合成的偏振狀態(tài)也隨角度的變化而不同。①當(dāng)=0時(shí)，獲得振動(dòng)方向平行于光軸的線偏振光。②當(dāng)=/2時(shí)，獲得振動(dòng)方向垂直于光軸的線偏振光。③當(dāng)=/4時(shí)，Ae

=

Ao獲得圓偏振光。④當(dāng)為其他值時(shí)，經(jīng)過/4波片后為橢圓偏振光。實(shí)驗(yàn)器材簡介：He-Ne激光器（帶布儒斯特窗）它的激光管是半外腔式的，組成共振腔的兩個(gè)反射鏡之一與放電分離，He-Ne氣體的放電管的一端，按一定角度（布儒斯特角）用玻璃片密封。具體布儒斯特角大小與介質(zhì)的折射率相關(guān)。而一般玻璃窗常采用K8光學(xué)玻璃制成，折射率n=1.516?=56格蘭-泰勒棱鏡用冰洲石制成一塊棱鏡，再將冰洲石沿對(duì)角切成兩半，使之形成空氣縫隙，組合起來，它起到的作用是使非常光e光能通過棱鏡，而尋常光o光在空氣界面發(fā)生全反射，以此來獲得偏振光。電動(dòng)旋轉(zhuǎn)架這個(gè)旋轉(zhuǎn)架用來安裝格蘭—泰勒棱鏡，也可以安裝波片，在格蘭-泰勒中，光軸在入射面內(nèi)，我們可畫出一條線，垂直于光軸，可在電動(dòng)旋轉(zhuǎn)架上的短線來配合讀出角度。波片與支架儀器配合的波片有半波片和1/4波片，用石英來做成，分別裝在鋁制的圓框內(nèi)，這兩種波片只能與632.8nm波片的光源使用，圓框上的白色短線指示波片的光軸方向，圓盤上的每格3o光電探測器這是一個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換器件，可用來探測紫外線，可見光和紅外線，響應(yīng)范圍200-1050nm，峰值波長650nm，由于光電探測器件對(duì)偏振態(tài)具有敏感性，即輸入功率相同的偏振光，只因偏振光不同而獲得不同的電信號(hào)輸出，所以在探測入口處加裝了一個(gè)退偏器，以減少偏振態(tài)對(duì)光電測量產(chǎn)生的影響。實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容：將起偏器和檢偏器放在光具座上，打開電腦，打開光具座的電源開關(guān)和激光器的電源，調(diào)節(jié)將激光器、激光接收器、起偏器與檢偏器調(diào)成一條直線。具體做法是：首先：將激光器發(fā)出的光調(diào)進(jìn)起偏器的中心，然后:用同樣的方法將檢偏器與激光器、起偏器調(diào)在一條直線。在電腦上選擇好電機(jī)，然后點(diǎn)擊“”，便得到光強(qiáng)強(qiáng)度變化的曲線，而因?yàn)轳R呂斯定律可知，光強(qiáng)的變化曲線是一條y軸上半軸的正弦曲線或余弦曲線，如得到的不是正余弦曲線，那么必然是光路的調(diào)節(jié)不標(biāo)準(zhǔn)，即不再同一條直線上，驗(yàn)證馬呂斯定律，得到標(biāo)準(zhǔn)的正余弦曲線之后，點(diǎn)擊停止，可用移動(dòng)坐標(biāo)來尋找值為零的角度，點(diǎn)擊菜單欄上的“工作”找到“角度檢索”,然后將剛才幾下的數(shù)據(jù)輸入其中，再然后將數(shù)據(jù)清空，重新來檢測光強(qiáng)的變化，便得到一條標(biāo)準(zhǔn)的正弦曲線，便點(diǎn)擊馬呂斯定律，看看其上的點(diǎn)和所得的直線的重合程度，便得到了馬呂斯定律。將半波片加入起偏器與檢偏器之間，然后使其繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)360o,觀察屏幕上發(fā)生消光的次數(shù)，然后取下半波片，使起偏器和檢偏器的光軸處于正交狀態(tài)，即起偏器與檢偏器處于消光狀態(tài)，然后加入半波片，將半波片轉(zhuǎn)到和起偏器、檢偏器處于消光狀態(tài)的時(shí)候，將半波片轉(zhuǎn)到15o,然后不動(dòng)半波片，使檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)，記下檢偏器達(dá)到消光位置的角度，同樣的方法使半波片轉(zhuǎn)到同樣的方法，將1/4波片放在起偏器和檢偏器之間，然后轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，使通過檢偏器的光達(dá)到最小，從這個(gè)位置每當(dāng)1/4波片轉(zhuǎn)動(dòng)15o，30實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理：馬呂斯定律：半波片的作用：表1.半波片分別調(diào)到不同角度時(shí)檢偏器轉(zhuǎn)到消光位置的角度半波片153045607590檢偏器28.561.588.4123.5152.6184.53、1/4波片的作用：實(shí)驗(yàn)總結(jié)：本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了線偏振光的馬呂斯定律，并且溫習(xí)了調(diào)節(jié)光路水平的基本方式方法，還驗(yàn)證了橢圓偏振光的振幅、相位特性，基本達(dá)到了實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹Ｓ捎谄鞑暮腿藶榈脑?，?shí)驗(yàn)總會(huì)出現(xiàn)一定的偏差，但是基本還是正確的，如在馬呂斯定律的時(shí)候，不能說所得的直線與圖標(biāo)中所有定的點(diǎn)沒有完全的重合，但基本上還是在所給定的點(diǎn)的上下或擦邊而過，所以，基本的實(shí)驗(yàn)結(jié)論和結(jié)果是基本符合的。討論與分析（展望與拓展）自己的觀點(diǎn)：本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理并不難理解，最難理解的是實(shí)驗(yàn)的操作，特別是光路的調(diào)節(jié)，在光路的調(diào)節(jié)過程中，只要有一個(gè)方位，一個(gè)儀器有稍微一點(diǎn)的偏差，那么實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)和圖像將不滿足實(shí)驗(yàn)。那么下面有幾個(gè)的方法可以改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的效率：該實(shí)驗(yàn)使用的激光器是He-Ne激光器，所發(fā)出來的光不是線偏振光，而在實(shí)驗(yàn)中，要用起偏器來濾光，而我們知道，多一個(gè)玻璃片，就會(huì)有光會(huì)發(fā)生折射、反射等等，我們最后所得到的光就會(huì)是經(jīng)過光的干涉和反射過后的光，會(huì)減少光強(qiáng)或者得到的光的線偏振性不高，而我們?cè)趯?shí)驗(yàn)的時(shí)候，所得的圖像的明顯性就與光的強(qiáng)度有著密切的關(guān)系，而在這里，我有一個(gè)激光器可供使用，就是半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體激光器對(duì)比與He-Ne激光器最大的區(qū)別是半導(dǎo)體的激光發(fā)出來就是線偏振光，那么我們便不用再加上所謂的起偏器，而減少一個(gè)棱鏡，對(duì)于我們光路的調(diào)節(jié)也減少很大的麻煩，試驗(yàn)方法：在上述的實(shí)驗(yàn)操作方法中，有一點(diǎn)，就是先將半波片放在起偏器和檢偏器之間，然后將其繞360度，觀察出現(xiàn)消光的次數(shù)，而觀察完之后呢，我們就要將半波片取下來，而實(shí)驗(yàn)中，由于儀器的長久使用，會(huì)出現(xiàn)螺絲的緊松的問題，儀器的固定會(huì)比較差，而我們將半波片搬上搬下，會(huì)影響到各種光學(xué)儀器的水平問題，而光路的調(diào)節(jié)有相對(duì)來說較難操作，我們可以將半波片留在上面，然后調(diào)節(jié)它們?nèi)齻€(gè)儀器出在共同消光的狀態(tài)，便可得到同樣的效果。本實(shí)驗(yàn)還有一個(gè)值得一提的地方，就是在將半波片轉(zhuǎn)至不同的角度的時(shí)候，要把連接半波片的電機(jī)點(diǎn)擊取消選擇再來選擇其他的電機(jī)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣的話，會(huì)得到什么的后果呢？如果實(shí)驗(yàn)者忘了取消連接半波片的電機(jī)的話，那么將會(huì)得到不正確的結(jié)果，要得到正確的結(jié)果，又要重來，所以，我有一個(gè)小建議，就是在每