光的偏振現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究

1、光的偏振現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究摘要：本文從理論上介紹了自然光、線偏振光、橢圓偏振光、圓偏振光等的概念；以及產(chǎn)生、鑒別這幾種偏振光的方法；介紹了1/2，1/4玻片的定義和1/2，1/4玻片的光學(xué)特性；以及研究1/2，1/4玻片光學(xué)特性實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析。然后由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證馬呂斯定律，以及測(cè)反射光為線偏振光時(shí)的入射角，即測(cè)量布儒斯特角。關(guān)鍵詞：波片；馬呂斯定律；布儒斯特角；分析引言 偏振是橫波的重要標(biāo)志，光波屬于橫波。在光學(xué)學(xué)習(xí)過程中，干涉、衍射、偏振都是波動(dòng)光學(xué)的主要內(nèi)容。本文將從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)光偏振問題做出分析，主要內(nèi)容包括：用實(shí)驗(yàn)來研究波片的光學(xué)性質(zhì)，對(duì)馬呂斯定律的驗(yàn)證以及布儒斯特角的

2、測(cè)量。以光偏振在日常生活中的應(yīng)用結(jié)尾，理論與實(shí)踐相結(jié)合，加深對(duì)光的偏振現(xiàn)象的理解，拓寬對(duì)光學(xué)領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)。1光偏振現(xiàn)象的基本理論1.1偏振的基本概念光是一種電磁波,電磁波是橫波。光波是電磁波,因此,光波的傳播方向就是電磁波的傳播方向。光波中的電振動(dòng)矢量E和磁振動(dòng)矢量H都與傳播速度v垂直，因此光波是橫波，它具有偏振性。而振動(dòng)方向和光波前進(jìn)方向構(gòu)成的平面叫做振動(dòng)面，光的振動(dòng)面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或線偏振光。振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱性叫做偏振,它是橫波區(qū)別于其他縱波的一個(gè)最明顯的標(biāo)志,只有橫波才有偏振現(xiàn)象。具有偏振性的光則稱為偏振光。偏振光是指光矢量的振動(dòng)方向不變，或具有某種規(guī)則地

3、變化的光波。按照其性質(zhì),偏振光又可分為平面偏振光（線偏振光）、圓偏振光和橢圓偏振光、部分偏振光幾種。如果光波電矢量的振動(dòng)方向只局限在一確定的平面內(nèi)，則這種偏振光稱為平面偏振光，若軌跡在傳播過程中為一直線，故又稱線偏振光。如果光波電矢量隨時(shí)間作有規(guī)則地改變，即電矢量末端軌跡在垂直于傳播方向的平面上呈圓形或橢圓形,則稱為圓偏振光或橢圓偏振光。如果光波電矢量的振動(dòng)在傳播過程中只是在某一確定的方向上占有相對(duì)優(yōu)勢(shì),這種偏振光就稱為部分偏振光。1.2 1/2，1/,4波片定義波片，又稱為相位延遲片，它是由雙折射的材料加工而成。它使通過波片的兩個(gè)互相正交的偏振分量產(chǎn)生相位偏移，可用來調(diào)整光束的偏振狀態(tài)。常見

4、的波片由石英晶體制作而成，主要為二分之一波片和四分之一波片。一定厚度的雙折射晶體,當(dāng)法線入射的光透過時(shí),尋常光(o光)和非常光(e光)之間的相位差等于或其奇數(shù)倍,這樣的晶片稱為二分之一波片,簡(jiǎn)稱半波片。半波片可以對(duì)偏振光進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。因?yàn)榫€偏振光垂直入射到半波片，透射光仍為線偏振光，假如入射時(shí)振動(dòng)面和晶體主截面之間的夾角為，則透射出來的線偏振光的振動(dòng)面從原來的方位轉(zhuǎn)過2角。當(dāng)法線入射的光透過時(shí)，尋常光（o光）和非常光（e光）之間的相位差等于/2或其奇數(shù)倍，這樣的晶片稱為四分之一波片或 1/4波片。當(dāng)線偏振光垂直入射1/4波片,并且光的偏振和云母的光軸面（垂直自然裂開面）成角，出射后成橢圓偏振光。特

5、別當(dāng)=45°時(shí)，出射光為圓偏振光。1.3 偏振光的產(chǎn)生與鑒別1.3.1 線偏振光的產(chǎn)生自然光在透射介質(zhì)上發(fā)生反射和折射，反射光和折射光均為部分偏振光，但當(dāng)入射角為布儒斯特角時(shí)，反射光中只剩下振動(dòng)面垂直于入射面的分量，這樣反射光就成為了線偏振光，而折射光仍為部分偏振光，可采用以布儒斯特角射入透明介質(zhì)堆，透射光經(jīng)過連續(xù)折射后幾乎是電矢量平行于入射面的線偏振光。1.3.2 圓偏振光、橢圓偏振光產(chǎn)生的原理圓偏振光、橢圓偏振光產(chǎn)生的原理如圖 102所示橢圓偏振光可以由兩列沿同一方向傳播，振動(dòng)方向互相垂直，頻率相同，具有固定相位關(guān)系的線偏振光疊加得到。當(dāng)一束自然光經(jīng)起偏器后，得到線偏振光再入射到

6、波片時(shí)，被分成o光和e光。由于它們?cè)诰w內(nèi)的傳播速度不同，通過波片后產(chǎn)生一定的位相差 ，振動(dòng)方向互相垂直，頻率相同。出射后兩束光合成的結(jié)果，一般是橢圓偏振光。當(dāng)入射線偏振光的電矢量振動(dòng)與1/4波片光軸成45度，這時(shí)o光和e光振幅相等，從1/4波片出射的光為圓偏振光。1.3.2偏振光的鑒別(1)自然光、部分偏振光和線偏振光的檢測(cè)利用偏振片就可以檢測(cè)自然光、部分偏振光和線偏振光。當(dāng)入射光垂直射至偏振片的表面，以入射光為軸旋轉(zhuǎn)偏振片，當(dāng)光強(qiáng)不變時(shí)，入射光是自然光，當(dāng)光強(qiáng)變化但無消光現(xiàn)象時(shí)，入射光是部分偏振光，當(dāng)光強(qiáng)變化并有消光現(xiàn)象時(shí)，入射光是線偏振光。(2)橢圓偏振光和圓偏振光的檢測(cè)a)圓偏振光通過

7、1/4波片后變?yōu)榫€偏振光，然后用偏振片鑒別。b)橢圓偏振光通過1/4波片后一般仍為橢圓偏振光，只有當(dāng)波片的光軸與橢圓的主軸平行時(shí)，才變?yōu)榫€偏振光，然后用偏振片加以鑒別。c)自然光和圓偏振光通過偏振片后，光強(qiáng)都不隨偏振片的透振方向的改變而變化，所以無法單用偏振片去區(qū)分它們。圓偏振光通過1/4波片后變?yōu)榫€偏振光，自然光通過1/4波片后仍為自然光，從而可用偏振片鑒別之。d)部分偏振光和橢圓偏振光通過偏振片后，光強(qiáng)隨偏振片的透振方向的改變而變化的情形是相似的，所以也無法單用偏振片去區(qū)分它們。讓橢圓偏振光通過1/4波片，并使橢圓的主軸與1/4波片的光軸相平行時(shí)，透射光是線偏振光，而部分偏振光通過1/4波

8、片后仍為部分偏振光，從而可用偏振片鑒別之。2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案2.1 半波片的光學(xué)特分析實(shí)驗(yàn)步驟：(1)如下圖，將半導(dǎo)體激光器、偏振片1（起偏器m）、偏振片2（檢偏器n）、光探頭放在光學(xué)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)軌上并旋緊螺絲緊固各個(gè)元件。將激光器、功率指示計(jì)、光探頭相連，打開功率指示計(jì)電源，調(diào)整各個(gè)元件高度方向，使元件中心在一條直線上。(2)使激光束的入射面與檢偏器正交，功率指示計(jì)讀數(shù)為0，在兩偏振片之間加12波片，將其旋轉(zhuǎn)到消光位置，從該位置開始，逐次旋轉(zhuǎn)波片15º、30º、45º、60º、75º、90º，然后將檢偏器逐次轉(zhuǎn)到消光位置，記錄每次檢偏器需要

9、轉(zhuǎn)到的角度。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出平面偏振光通過半波片后，振動(dòng)面的變化規(guī)律，并解釋。圖2.1半波片光學(xué)特性實(shí)驗(yàn)裝置【數(shù)據(jù)記錄與處理】表2.1 12波片的作用消光時(shí)檢偏器位置線偏振光經(jīng)1/2波片后轉(zhuǎn)過角度理論值40.50º00º0º55.515º28.728.7º30º70.530º59.859.8º60º85.545º91.091.0º90º100.560º119.5119.5º120º115.575º150.1150.1º150&

10、#186;130.590º180.7180.7º180º實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析：當(dāng)入射光為相對(duì)光軸的入射角為的線偏振光時(shí)，在12波片內(nèi)e光和o光振動(dòng)表達(dá)式分別為 ; 。 當(dāng)經(jīng)過12波片會(huì)附加相位差，此時(shí)y軸振動(dòng)反向，這樣x軸分量和y軸分量合成與光軸方向?yàn)?的線偏振光，也就是說12波片可以改變?nèi)肷涔獾钠衩妫ň€偏振光經(jīng)12波片后入射光的電矢量方向轉(zhuǎn)過了2）。2.2 14波片的光學(xué)特性與偏振態(tài)當(dāng)偏振為A的線偏振光入射波片時(shí)，若振動(dòng)方向與波片光軸夾角為角，在直角坐標(biāo)系內(nèi)，o光和e光的振幅分別為和。從波片出射后的o光和e光的振動(dòng)可以用兩個(gè)振動(dòng)方向互相垂直、頻率相同、有固定相位差的簡(jiǎn)

11、諧振動(dòng)方程表示，二者的合振動(dòng)方程為橢圓方程，合振動(dòng)矢量的端點(diǎn)軌跡一般為橢圓，稱作橢圓偏振光。特殊情況下，即，入射線偏振光的電矢量振動(dòng)與14波片光軸成45°時(shí)，合振動(dòng)矢量的端點(diǎn)軌跡是圓，橢圓偏振光變?yōu)閳A偏振光，透射光強(qiáng)是幾乎不變的。實(shí)驗(yàn)步驟：光路與圖2.1相似，只是將12波片換成14波片。使起偏器的透射方向與檢偏器正交，功率指示計(jì)讀數(shù)為0，然后在兩偏振片之間加入14波片H，旋轉(zhuǎn)波片直至達(dá)到消光，從這個(gè)消光位置開始，旋轉(zhuǎn)14波片15º、30º、45º、60º、75º、90º，分別逐次將檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)360°。通過記錄光強(qiáng)變

12、化判斷入射光透過14波片后的偏振態(tài)。【數(shù)據(jù)記錄與處理】表2.2 14波片的作用14波片轉(zhuǎn)過的角度A轉(zhuǎn)動(dòng)360°，現(xiàn)測(cè)到極大、極小值的光功率計(jì)讀數(shù)W光的偏振性質(zhì)15°8297186973橢圓偏振光30°242737246747橢圓偏振光45°435490437486近似圓偏振光60°218748216757橢圓偏振光75°212948220954橢圓偏振光90°09850989線偏振光實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析：當(dāng)入射線偏振光的投射方向與光軸方向垂直時(shí)，出射光為線偏振光，出現(xiàn)兩次消光兩個(gè)光強(qiáng)極大值。當(dāng)入射光的偏振方向與光軸方向夾角45

13、86;時(shí)，出射光為圓偏振光，經(jīng)過檢偏器，出射光強(qiáng)無明顯變化。當(dāng)入射光的偏振方向與光軸方向?yàn)槠渌闆r時(shí),經(jīng)波片出射的光為橢圓偏振光。經(jīng)過檢偏器觀察，沒有消光現(xiàn)象，有明暗變化。2.3 驗(yàn)證馬呂斯定律實(shí)驗(yàn)2.3.1實(shí)驗(yàn)原理光強(qiáng)為Io的線偏振光，透過檢偏器以后，透射光的光強(qiáng)為, 式中是線偏振光的光振動(dòng)方向與檢偏器透振方向間的夾角，該式稱為馬呂斯定律,它表示光強(qiáng)隨角度改變的變化規(guī)律。 按照馬呂斯定律，強(qiáng)度為的線偏振光通過檢偏器后，透射光的強(qiáng)度為I=, 很明顯，當(dāng)以光線傳播方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)檢偏器，透射光強(qiáng)度I將發(fā)生周期性變化。當(dāng)=0°時(shí)，透射光強(qiáng)度最大；當(dāng)=90°時(shí)，透射光強(qiáng)度最??；當(dāng)0&

14、#176;90°時(shí)，透射光強(qiáng)度介于最大值和最小值之間。2.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟（1） 將半導(dǎo)體激光器、偏振片1（起偏器）、偏振片2（檢偏器）、光探頭放在光學(xué)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)軌上并緊固各個(gè)元件。將功率指示計(jì)、激光器、光探頭相連，先把功率指示計(jì)量程調(diào)到最大值，打開功率指示計(jì)電源，輸出激光，調(diào)整激光，各個(gè)元件的方向和高度，使激光從兩偏振片的中心通過，進(jìn)入光探頭，旋轉(zhuǎn)光探頭上的光欄盤，使激光光斑進(jìn)入0.02mm縫的光欄位置。（2） 旋轉(zhuǎn)檢偏器，使功率指示計(jì)讀數(shù)為最大，此時(shí)兩偏振片夾角為=0°，記錄此時(shí)檢偏器的位置。 （3） 用白屏擋住激光，激光無法進(jìn)入光探頭，再打開功率指示計(jì)，把功率指示計(jì)量程調(diào)

15、到2mw，旋轉(zhuǎn)調(diào)零按鈕，直至功率指示計(jì)讀數(shù)為零，使功率指示計(jì)調(diào)零。拿下白屏，使激光進(jìn)入光探頭，記錄=0°時(shí)的功率指示計(jì)讀數(shù)（可認(rèn)為是光強(qiáng)I的值），以后每旋轉(zhuǎn)10°記錄一次出射光強(qiáng)的功率指示計(jì)讀數(shù)，旋轉(zhuǎn)一周，數(shù)據(jù)填入表格，畫出光強(qiáng)I與角度的關(guān)系曲線圖，驗(yàn)證馬呂斯定律。2.3.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理表2.3 驗(yàn)證馬呂斯定律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)功率值（）功率值（）00.2711900.263100.2632000.242200.2422100.204300.2102200.159400.1622300.115500.1112400.070600.0662500.040700.0312600.0

16、12800.00727009002800.0151000.0142900.0361100.0303000.0701200.0643100.1161300.1123200.1701400.1613300.2071500.2033400.2431600.2423500.2671700.2673600.2751800.278圖2.2 馬呂斯定律實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖2.4 測(cè)布儒斯特角實(shí)驗(yàn)2.4.1實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)非偏振光（自然光）在兩種各向同性介質(zhì)分界面上反射、折射時(shí)，反射光和折射光都是部分偏振光。反射光中與入射平面垂直的振動(dòng)多于與其平行的振動(dòng)，折射光中與入射平面平行的振動(dòng)多于與其垂直的振動(dòng)。在某一特殊入射角（

17、即布儒斯特角）時(shí)，反射光中垂直于入射平面的偏振分量為零，即反射光變?yōu)橥耆窆猓ň€偏振光），此時(shí)入射光線與反射光線之間的夾角為90°。2.4.2實(shí)驗(yàn)步驟（1） 按圖2.4擺放實(shí)驗(yàn)儀器，在光學(xué)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上先不要放三棱鏡。圖2.4 測(cè)布儒斯特角實(shí)驗(yàn)裝置（2） 打開功率指示計(jì)的電源，輸出激光。調(diào)整激光方向和各個(gè)元件的高度，使激光從兩個(gè)偏振片的中心通過，進(jìn)入功率指示計(jì)的探頭。旋轉(zhuǎn)兩偏振片達(dá)到正交，功率指示計(jì)為0，進(jìn)入消光狀態(tài)。（3） 在檢偏器與起偏器之間加入1/4波片，此時(shí)有部分偏振光通過檢偏器。旋轉(zhuǎn)1/4波片，系統(tǒng)達(dá)到消光狀態(tài)。記下消光狀態(tài)時(shí)1/4波片方向的度數(shù)，再旋轉(zhuǎn)45º。此時(shí)

18、出射光為圓偏振光，然后將三棱鏡放在載物臺(tái)上，盡可能使入射角為60º。將光探頭放在轉(zhuǎn)接桿上，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)接桿使反射光斑進(jìn)入功率激光探頭中，慢慢旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)，直到功率指示計(jì)的讀數(shù)為最小，在轉(zhuǎn)盤上固定某一位置，記錄轉(zhuǎn)盤此位置刻度T。（4） 取下三棱鏡，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)接桿使激光通過探頭中心。記錄此時(shí)轉(zhuǎn)盤的刻度T。多次測(cè)量數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算。2.4.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理表2.4測(cè)布儒斯特角數(shù)據(jù)次數(shù)m刻度刻度in理論值1341.3274.656.651.5191.51342341.1274.356.601.5173341.5274.556.501.5124341.8274.656.401.5055

19、341.3274.456.551.514數(shù)據(jù)處理：, i=（180º-T）/2，n=，代入數(shù)據(jù)處理填入上表。相對(duì)誤差：2.43誤差分析主要有：（1）光斑沒有完全進(jìn)入光探頭，認(rèn)為光強(qiáng)達(dá)到最小值，導(dǎo)致誤差。（2）通過對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行估度時(shí)，出現(xiàn)誤差。（3）沒有固定好轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)接桿時(shí)，轉(zhuǎn)盤出現(xiàn)微小轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致誤差。3 偏振現(xiàn)象的應(yīng)用1）汽車前燈和前窗玻璃用偏振玻璃防止強(qiáng)光夜晚，汽車前燈發(fā)出的強(qiáng)光將迎面駛來的汽車司機(jī)照射得睜不開眼睛，嚴(yán)重影響行車安全。若考慮將汽車前燈玻璃改用偏振玻璃，使射出的燈光變?yōu)槠窆?；同時(shí)汽車前窗玻璃也采用偏振玻璃，其透振方向恰好與燈光的振動(dòng)方向垂直，這樣司機(jī)不僅可以

20、防止對(duì)方汽車強(qiáng)光的刺激，也能看清自己車燈發(fā)出的光所照亮的物體。2）在攝影鏡頭前加上偏振鏡消除反光自然光在玻璃、水面、木質(zhì)桌面等表面反射時(shí)，反射光和折射光都是偏振光，而且入射角變化時(shí)，偏振的程度也有變化。在拍攝表面光滑的物體，如玻璃器皿、水面、陳列櫥柜、油漆表面、塑料表面等，常常會(huì)出現(xiàn)耀斑或反光，這是由于反射光波的干擾而引起的。如果在拍攝時(shí)加用偏振鏡，并適當(dāng)?shù)匦D(zhuǎn)偏振鏡片，讓它的透振方向與反射光的透振方向垂直，就可以減弱反射光而使水下或玻璃后的影像清晰。3）利用光的偏振制成液晶顯示器如圖4所示為電子手表等的液晶顯示器，兩塊透振方向互相垂直的偏振片當(dāng)中插進(jìn)一個(gè)液晶盒，盒內(nèi)液晶層的上下是透明的電極板

21、，它們刻成了數(shù)字筆畫的形狀。外界的自然光通過第一塊偏振片后，成了偏振光，這束光在通過液晶時(shí)，如果上下兩液晶片間沒有電壓，光的偏振方向會(huì)被液晶旋轉(zhuǎn)90°，于是它能通過第二個(gè)偏振片。第二個(gè)偏振片的下面是反射鏡，光線被反射回來，這時(shí)液晶盒看起來是透明的。但如果在上下兩個(gè)電極間有一定大小的電壓時(shí)，液晶的性質(zhì)就改變了，旋光性消失，于是光線不能通過第二個(gè)偏振片，這個(gè)電極下的區(qū)域就變暗，于是就顯示出了數(shù)字。如圖44）使用偏振片觀看立體電影立體電影是用兩個(gè)鏡頭如人眼那樣從兩個(gè)不同方向同時(shí)拍攝下景物的像，制成電影膠片。在放映時(shí)，通過兩個(gè)放映機(jī)，把用兩個(gè)攝影機(jī)拍下的兩組膠片同步放映，使這略有差別的兩幅圖像重疊在銀幕上，如圖-5所示。這時(shí)如果用眼睛直接觀看，看到的畫面是模糊不清的，要看到立體電影，就要在每