大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)和光的偏振

1、實(shí)驗(yàn)27光的偏振一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察光的偏振現(xiàn)象，加深對(duì)光的偏振的理解。2、了解偏振光的產(chǎn)生及其檢驗(yàn)方法。3、觀測布儒斯特角，測定玻璃折射率。4、觀測橢圓偏振光與圓偏振光。5、了解1/2波片和1/4波片的用途。二、實(shí)驗(yàn)原理1、光的偏振狀態(tài)光是電磁波，它是橫波。通常用電矢量E表示光波的振動(dòng)矢量。10-5秒已足夠了)，各取向上電矢量的時(shí)間平均值是相等的，這樣的(1) 自然光 其電矢量在垂直于傳播方向的平面內(nèi)任意取向，各個(gè)方向的取向概率相等，所以在相當(dāng)長的時(shí)間里( 光稱為自然光，如圖 27-1所示。4誣著光竦看自然光的圖示他洎黙先在先路圖中旳裹忌圖貯-1自然光(2) 平面偏振光 電矢量只限于某一確定

2、方向的光，因其電矢量和光線構(gòu)成一個(gè)平面而稱其為平面偏振光。如果迎著光線看，電矢量末端的軌跡為一直線，所以平面偏振光也稱為線 偏振光，如圖27-2所示。27-3所示。局部偏振光可以看成是線偏振光和自然光的混合。(3) 局部偏振光 電矢量在某一確定方向上較強(qiáng)，而在和它正交的方向上較弱，這種光稱為局部偏振光，如圖E扳動(dòng)方向垂克于紙面(b)踐偏振光在光跖中的春示圈線偏振光(b)制分偏靠充在光齬中的表示27-3局部偏振光(5)圓偏振光 迎著光線看，如果電矢量末端的軌跡為一個(gè)圓，那么這樣的光稱為圓偏振光。圓偏振光可視為長、短軸相等的橢圓偏振光。(4) 橢圓偏振光 迎著光線看，如果電矢量末端的軌跡為一橢圓，

3、這樣的光稱為橢圓偏振光。橢圓偏振光可以由兩個(gè)電矢量互相垂直的、有恒定相位差的線偏振光合成得到。3迎著光鍍看橢凰偏振光右旋)(b )沿軸借播妁商網(wǎng)偏掖光(右離3圖27-4橢圓偏振光2、布儒斯特定律反射光的偏振與布儒斯特定律如圖27-5所示，光在兩介質(zhì)如空氣和玻璃片等界面上，反射光和折射光透射光都是局部偏振光。當(dāng)反射光線與折射光線的夾角恰為90°時(shí)，反射光為線偏振光，其電矢量振動(dòng)方向垂直于入射光線與界面法線所決定的平面入射面。此時(shí)的透射光中包含平行于入射面的偏振光的全部以及垂直于入射面的偏振光的其余局部，所以透射光仍為局部偏振光。由折射定律很容易導(dǎo)出此時(shí)的入射角滿足關(guān)系(27-1)tan

4、ni27-1式稱為布儒斯特定律，入射角稱為布儒斯特角，或稱為起偏角。假設(shè)光從空氣入射到玻璃約為1.5，起偏角約56°。線偏靠光反射光27-5反射光的偏振3、偏振片、起偏和檢偏、馬呂斯定律1由二向色性晶體的選擇吸收所產(chǎn)生的偏振偏振片P1P2圖a偏振片起偏圖b起偏和檢偏起偏器檢偏器圖27-6 偏振片有些晶體如電氣石、長鏈分子晶體如高碘硫酸奎寧，對(duì)兩個(gè)相互垂直振動(dòng)的電矢量具有不同的吸收本領(lǐng)，這種選擇吸收性稱為二向色性。在兩平板玻璃間，夾一層二向色性很強(qiáng)的物質(zhì)就制成了偏振片。自然光通過偏振片時(shí)，一個(gè)方向的電矢量幾乎完全通過該方向稱為偏振片的偏振化方向，而與偏振化方向垂直的電矢量那么幾乎被完全

5、吸收，因此透射光就成為線偏振光。根據(jù)這一特性，偏振片既可用來產(chǎn)生偏振光起偏，也可用于檢驗(yàn)光的偏振狀態(tài)檢偏。2馬呂斯定律用強(qiáng)度為Io的線偏振光入射，透過偏振片的光強(qiáng)為I,那么有如下關(guān)系27-2式稱為馬呂斯定律。I 10 cos2(27-2)是入射光的E矢量振動(dòng)方向和檢偏器偏振化方向之間的夾角。以入射光線為軸轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片，如果透射光強(qiáng)I有變化，且轉(zhuǎn)動(dòng)到某位置時(shí)I =0,那么說明入射光為線偏振光，此時(shí)=90。4、波片1兩個(gè)互相垂直的、同頻率的簡諧振動(dòng)的合成設(shè)有兩各互相垂直且同頻率的簡諧振動(dòng)，它們的運(yùn)動(dòng)方程分別為x A1 cos( t 1)y A2 cos( t2)(27-3)合運(yùn)動(dòng)是這兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)之和，

6、消去參數(shù)得到合運(yùn)動(dòng)矢量末端運(yùn)動(dòng)軌跡方程為A22 y_ a22cos(1) sin2( 21)(27-4)2A2 的矩形范圍內(nèi)。如果2A1上式說明，一般情況下，合振動(dòng)矢量末端運(yùn)動(dòng)軌跡是橢圓，該橢圓在27-3式表示的是兩線偏振光，那么疊加后一般成為橢圓偏振光。下面討論相位1為幾種特殊值的情況。當(dāng)2k (K =0, ± 1, ± 2,)時(shí)，(27-4)式變?yōu)?27-5)合振動(dòng)矢量末端運(yùn)動(dòng)軌跡是上述矩形的對(duì)角線，與y軸的夾角為當(dāng)(2k1)(k =0, ± 1,(27-6)式說明，相互垂直的、相位相反的兩線偏振光合成后也是線偏振光,當(dāng)AiA2。這就是說，相互垂直的、同相位的

7、兩線偏振光合成后仍為線偏振光，但土 2,)時(shí)，(27-4)式變?yōu)?27-6)E振動(dòng)有新的取向。AiA2E振動(dòng)方向與y軸的夾角也是，但在y軸的另一側(cè)。(2k1 ) ( k =0，± 1, ±2,)時(shí)，(27-4)2式變?yōu)閤2A12(27-7)此時(shí)，合振動(dòng)矢量末端運(yùn)動(dòng)軌跡是正立在上述矩形內(nèi)的橢圓。即相互垂直的、相位差是 根據(jù)情況，且 A1=A2=A，那么(27-4)2x/ 2的兩線偏振光合成為橢圓偏振光，橢圓的長半軸和短半軸分別等于兩線偏振光的振幅。即振幅相等的、相互垂直的、相位差是雙折射晶體/2式變?yōu)?yA2(27-8)的兩線偏振光合成為圓偏振光。光軸一束自然光在入射到某些各

8、向異性晶體上時(shí)，能夠被分成振動(dòng)方向相互垂直的兩束線偏振光，分別稱為e光和o光。它們以不同的速度、沿不同的方向在晶體內(nèi)傳播，如圖27-7 所示。這種現(xiàn)象稱為雙折射，這些晶體稱為雙折射晶體，如方解石、石英等。方解石n©n°，稱“負(fù)晶體，石英He稱“正晶體。在雙折射晶體內(nèi)有一個(gè)被稱為光軸的特殊方向。光線在晶體內(nèi)沿光軸傳播時(shí)，不發(fā)生雙折射；平行于光軸傳播時(shí)，e光和o光沿同一方向傳播不再別離，但傳播速度仍是不同。把雙折射晶體沿光軸切割并磨制成平行平板，這就是波片。一束線偏振光垂直入射到波片外表，被分解成e光和o光。e光的E矢量振動(dòng)方向平行于光軸， o光的E矢量振動(dòng)方向垂直于光軸，入射

9、時(shí)它們之間的光程差為零，相位差0。因?yàn)閑光和o光傳播速度不同，當(dāng)從波片的第二外表出射時(shí)，它們之間就有了光程差，相位差定了晶體之后，對(duì)于某一波長的單色光，2只取決于波片的厚度,即Lnoneoe(27-9 )也不再為零。在選式中的是單色光波長，門0和He是o光和e光的折射率，L為晶片厚度。由于o光、e光的振動(dòng)方向相互垂直，取e 光軸為x方向，沿x軸、y軸的光矢量分別為 Ex和Ey，那么有E；E；2ExEy2 sin(27-10 )A；AcosAeAo因此，根據(jù)(當(dāng)27-10)式，就有如下推論：2k時(shí)，為線偏振光；當(dāng)2k1時(shí)，為線偏振光；1當(dāng)k時(shí)，為正橢圓偏振光;2光的種類僅使用偏振器，并使其旋轉(zhuǎn)/

10、 4片+偏振片自然光光強(qiáng)不變，不消光光強(qiáng)不變，不消光圓偏振光光強(qiáng)不變，不消光消光線偏振光光強(qiáng)改變，消光，可以鑒定局部偏振光光強(qiáng)改變，但不消光光強(qiáng)改變，但不消光橢圓偏振光光強(qiáng)改變，但不消光消光當(dāng)不等于以上各值時(shí)，為橢圓偏振光。/ 2波片和/ 4波片對(duì)某一波長為的單色光，產(chǎn)生位差的晶片稱為該單色光的/ 4波片。2k 1相位差的晶片稱為該單色光的半波片。對(duì)某一波長為的單色光，產(chǎn)生當(dāng)線偏振光垂直人射到/ 4 波片上時(shí)，且其振動(dòng)方向與波片光軸成角，如圖 27-9同。當(dāng)當(dāng)當(dāng)所示，由于o光和e光的振幅是的函數(shù)，所以，合成光的振幅A因角不同而不時(shí)，Ao0或Ae0，為線偏振光;2 e時(shí),4A?，為圓偏振光;為其

11、他角度時(shí)，為橢圓偏振光。表27-1鑒別光的偏振態(tài)三、實(shí)驗(yàn)儀器1、白光源GY-6A 2 、凸透鏡f= 150mmX軸旋轉(zhuǎn)二維架SZ-06 10、11、升降調(diào)節(jié)座SZ-033、二維調(diào)節(jié)架SZ-074、可調(diào)狹縫SZ-275、光學(xué)測角臺(tái)SZ-476、升降調(diào)節(jié)座SZ-037、黑玻璃鏡 8、偏振片 9、/ 4 波片633nm及架12、二維平移底座SZ-02 。轉(zhuǎn)動(dòng)架和擴(kuò)束圖27-10實(shí)驗(yàn)裝置示意圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、起偏與檢偏按圖27-10所示，使白光源燈絲位于透鏡的焦平面上此時(shí)二底座相距162mm，近似平行光束通過狹縫，向光學(xué)分度盤中心的黑玻璃鏡入射，并在臺(tái)面上顯出指向圓心的光跡。此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)分度盤，對(duì)任

12、意入射角，利用偏振片和X軸旋轉(zhuǎn)二維架組成的檢偏器檢驗(yàn)反射光的偏振態(tài)。2、利用布儒斯特定律測定玻璃的折射率1 在圖27-10中，當(dāng)光束以布儒斯特角iB入射時(shí)，反射的線偏振光可被檢偏器消除對(duì) n=1.51，iB=57°。該入射角需反復(fù)仔細(xì)校準(zhǔn)。因線偏振光的振動(dòng)面垂直于入射面，按檢偏 器消光方位可以定出偏振片的易透射軸。2測出起偏角iB并按27-1 式計(jì)算出玻璃的折射率。3檢查此時(shí)透射光的狀態(tài)。3、驗(yàn)證馬呂斯定律如圖27-11所示，使鈉光通過偏振片A起偏振，用裝在 X軸旋轉(zhuǎn)二維架上對(duì)準(zhǔn)指標(biāo)線的偏振片B在轉(zhuǎn)動(dòng)中檢偏振，分析透射光的光強(qiáng)變化與角度的關(guān)系。4、橢圓偏振光的分析使激光束通過擴(kuò)束器f

13、= 4.5mm或f=6.5mm 、狹縫和黑玻璃鏡產(chǎn)生線偏振光，在通過/ 4波片之后，用裝在 X軸旋轉(zhuǎn)二維架上的偏振片在旋轉(zhuǎn)中觀察透射光光強(qiáng)變化，是否有兩明兩暗位置注意與上一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有何不同，在暗位置，檢偏器的透振方向即橢圓的短軸方向。5、圓偏振光的分析在透振軸正交的二偏振片之間參加/ 4波片，旋轉(zhuǎn)至透射光強(qiáng)恢復(fù)為零處，從該位置在轉(zhuǎn)動(dòng)450，即可產(chǎn)生圓偏振光。此時(shí)假設(shè)用檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)檢查，在觀察屏白屏上的透射光強(qiáng)應(yīng)是不變的。觀察圓偏振光和橢圓偏振光的具體做法是：按圖27-11調(diào)整偏振片 A和B的位置使通過的光消失，然后插入一片1/4波片C1 注意使光線盡量穿過元件中心。 以光線為軸，先轉(zhuǎn)動(dòng) C消光

14、，然后使 B轉(zhuǎn)36O0,觀察現(xiàn)象。3再將C1從消光位置轉(zhuǎn)過 300、45°、60°、75°、901，每次以光線為軸，將B轉(zhuǎn)3600觀察現(xiàn)象，將上面幾次實(shí)驗(yàn)的情況記錄在表27-1中。6、利用冰洲石及可轉(zhuǎn)動(dòng)支架，可以觀察和分析該晶體的雙折射現(xiàn)象。讓自然光如鈉光通過支架上的一個(gè)小孔入射冰洲石晶體，用眼睛在適當(dāng)距離能夠看到光束一分為二；轉(zhuǎn)動(dòng)支架，又能判別尋常光o光和非常光e光。然后用檢偏器確定 o光和e光偏振方向的關(guān)系。五、數(shù)據(jù)記錄與處理1、將各直接測量值的原始數(shù)據(jù)用列表法表示。2、要計(jì)算玻璃折射率測量的誤差，并寫出最后結(jié)果。C1轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動(dòng)B時(shí)觀察現(xiàn)象經(jīng)C1后光的偏振態(tài)簡要理由0030450600750-90表27-1產(chǎn)生圓偏振光和橢圓偏振光的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表六、思考題一預(yù)習(xí)自測題1、兩偏振片的偏振化方向相互垂直放置，稱之為正交偏振片光束不能通過正交偏振片此時(shí)稱為消光。在正交偏振片間插人一波片，為什么光可以通過？2、轉(zhuǎn)動(dòng)正交偏振片間的波片一周，有幾次消光？根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象，能否判斷波片光軸與偏振片的偏振化方向之間的角度關(guān)系？3、 波長為的單色自然