偏振光學(xué)實驗報告

偏振光的產(chǎn)生和檢驗實驗?zāi)康恼莆掌窆獾漠a(chǎn)生原理和檢驗方法,觀察線偏振光驗證馬呂斯定律，測量布儒斯特角；觀測光以布儒斯特角入射的偏振現(xiàn)象；觀測波片現(xiàn)象，加深波片的基本概念。實驗原理1.光的偏振性 光波是波長較短的電磁波，電磁波是橫波，光波中的電矢量與波的傳播方向垂直。光的偏振觀象清楚地顯示了光的橫波性。光大體上有五種偏振態(tài)，即線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光、自然光和部分偏振光。而線偏振光和圓偏振光又可看作橢圓偏振光的特例。（1）自然光光是由光源中大量原子或分子發(fā)出的。普通光源中各個原子發(fā)出的光的波列不僅初相彼此不相關(guān)，而且光振動方向也是彼此不相關(guān)的，呈隨機分布。在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)，沿各個方向振動的光矢量都有。平均說來，光矢量具有軸對稱而且均勻的分布，各方向光振動的振幅相同，各個振動之間沒有固定的相聯(lián)系，這種光稱為自然光或非偏振光（見下圖）。

我們設(shè)想把每個波列的光矢量都沿任意取定的x軸和y軸分解，由于各波列的光矢量的相和振動方向都是無規(guī)則分布的，將所有波列光矢量的x分量和y分量分別疊加起來，得到的總光矢量的分量Ex和Ey之間沒有固定的相關(guān)系，因而它們之間是不相干的。同時Ex和Ey的振幅是相等的，即Ax=Ay。這樣，我們可以把自然光分解為兩束等幅的、振動方向互相垂直的、不相干的線偏振光。這就是自然光的線偏振表示，如下圖（a）所示。分解的兩束線偏振光具有相等的強度Ix=Iy，又因自然光強度I=Ix+Iy

所以每束線偏振光的強度是自然光強度的1/2，即通常用圖（b）的圖示法表示自然光。圖中用短線和點分別表示在紙面內(nèi)和垂直于紙面的光振動，點和短線交替均勻畫出，表示光矢量對稱而均勻的分布。（2）線偏振光

光矢量只沿一個固定的方向振動時，這種光稱為線偏振光，又稱為平面偏振光。光矢量的方向和光的傳播方向所構(gòu)成的平面稱為振動面，如圖（a）所示。線偏振光的振動面是固定不動的，圖（b）所示是線偏振光的表示方法，圖中短豎線表示光振動在紙面內(nèi)，點表示光振動垂直于紙面。（3）部分偏振光這是介于線偏振光與自然光之間的一種偏振光，在垂直于這種光的傳播方向的平面內(nèi)，各方向的光振動都有，但它們的振幅不相等，如圖（a）所示。這種部分偏振光用數(shù)目不等的點和短線表示。在圖（b）中，上圖表示在紙面內(nèi)的光振動較強，下圖表示垂直紙面的光振動較強。要注意，這種偏振光各方向的光矢量之間也沒有固定的相的關(guān)系。（4）圓偏振光和橢圓偏振光

這兩種光的特點是在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光矢量按一定頻率旋轉(zhuǎn)（左旋或右旋）。如果光矢量端點軌跡是一個圓，這種光叫圓偏振光（見圖（a））。如果光矢量端點軌跡是一個橢圓，這種光叫橢圓偏振光（見圖（b））。2.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，而入射角又滿足時，反射光即成完全偏振光，其振動面垂直于入射面。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3.馬呂斯定律 如果光源中的任一波列（用振動平面E表示）投射在起偏器P上（如下圖），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（=Ecosθ）則被吸收。與此類似，若（這里θ是P與A偏振化方向之間的夾角）。由于光強與振幅的平方成正比，可知透射光強I隨θ而變化的關(guān)系為這就是馬呂斯定律。EXEyEXEyE4.波片 若使線偏振光垂直入射一透光面平行于光軸，厚度為d的晶片，此光因晶片的各向異性而分裂成遵從折射定律的尋常光（o光）和不遵從折射定律的非常光（e光）。因o光和e光在晶體中這兩個相互垂直的振動方向有不同的光速，分別稱做快軸和慢軸。設(shè)入射光振幅為A，振動方向與光軸夾角為θ，入射晶面后o光和e光振幅分別為Asinθ和Acosθ,出射后相位差式中λ0是光在真空中的波長，no和ne分別是o光和e光的折射率。這種能使相互垂直振動的平面偏振光產(chǎn)生一定相位差的晶片就叫做波片。 如果以平行于波片光軸方向為x坐標，，垂直于光軸方向為y坐標出射的o光和e光可用兩個簡諧振動方程式表示：該兩式的合振動方程式可寫成一般說來，這是一個橢圓方程，代表橢圓偏振光。但是當(dāng) （k＝1、2、3…）或 （k＝0、1、2…）時，合振動變成振動方向不同的線偏振光。后一種情況，晶片厚度可使o光和e光產(chǎn)生（2k+1）λ/2的光程差，這樣的晶片稱做半波片,而當(dāng) （k＝1、2、3…）時，合振動方程化為正橢圓方程這時晶片厚度，稱做1/4波片。它能使線偏振光改變偏振態(tài)，變成橢圓偏振光。但是當(dāng)入射光振動面與波片光軸夾角θ＝45°時，Ae＝Ao，合振動方程可寫成即獲得圓偏振光。五、旋光現(xiàn)象產(chǎn)生的原理偏振光通過某些晶體或物質(zhì)的溶液時，其振動面以光的傳播方向為軸線發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，稱為旋光現(xiàn)象。具有旋光性的晶體或溶液稱為旋光物質(zhì)。最早是發(fā)現(xiàn)石英晶體有這種現(xiàn)象，后來繼續(xù)發(fā)現(xiàn)在糖溶液、松節(jié)油、硫化汞、氯化鈉等液體中和其他一些晶體中都有此現(xiàn)象。有的旋光物質(zhì)使偏振光的振動面順時針方向旋轉(zhuǎn)，稱為右旋物質(zhì)，反之稱為左旋物質(zhì)。實驗證明，光振動面旋轉(zhuǎn)的角度ψ與其所通過旋光物質(zhì)的厚度l成正比。對溶液來說，旋轉(zhuǎn)角又正比于溶液濃度c，即(1)式中ρ為一常量，與旋光物質(zhì)的性質(zhì)、入射光的波長、溫度等有關(guān)，稱為旋光物質(zhì)的旋光率。若已知物質(zhì)的旋光率ρ和厚度L，并測得旋轉(zhuǎn)角ψ，就可由(1)式算出溶液濃度c。六.偏振光的獲得自然界的大多數(shù)光源所發(fā)出的是自然光。為了從自然光得到各種偏振光，需要采用偏振器件。偏振片、玻片堆和尼科耳棱鏡等都可以用作起偏器，自然光通過這些起偏器后就變成了線偏振光。偏振片常用具二向色性的晶體制成，這些晶體對不同方向的電磁振動具有選擇吸收的性質(zhì)，當(dāng)光線射在晶體的表面上時，振動的電矢量與光軸平行時吸收得較少，光可以較多地通過；電矢量與光軸垂直時被吸收得較多，光通過得很少。通常的偏振片是在拉伸了的塞璐璐基片上蒸鍍一層硫酸碘奎寧的晶粒，基片的應(yīng)力可以使晶粒的光軸定向排列起來，這樣可得到面積很大的偏振片。為了得到橢圓偏振光，使自然光通過一個起偏器和一個波片即可。由起偏器出射偏振光正入射到波片中去時，只要其振動方向不與波片的光軸平行或垂直，就會分解成0光和e光，穿過波片時在它們之間就有一定的附加相位差δ。射出波片之后，傳播方向相同的這兩束光的速度恢復(fù)到一樣，它們在一起一般是合成橢圓偏振光。只有當(dāng)這兩面束光之間的相位差等于±π/2，且振幅相同時，才有可能得到圓偏振光。換言之，令一束線偏振光垂直通過一波片，一般我們得到一束橢圓偏振光；只有通過1/4波片，且波片的光軸與入射光的振動面成對45°角時，我們才能得到一束圓偏振光。實驗裝置；白光源，凸透鏡（f=150mm），二維調(diào)節(jié)架（SZ-03）三個，可調(diào)狹縫，光學(xué)測角臺，升降調(diào)節(jié)架，黑玻璃片，偏振片,