偏振光的觀測與研究~~實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、學(xué)習(xí)資料收集于網(wǎng)絡(luò)，僅供參考偏振光的觀測與研究光的干涉和衍射實(shí)驗(yàn)證明了光的波動(dòng)性質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)將進(jìn)一步說明光是橫波而不是縱波，即其E 和 H 的振動(dòng)方向是垂直于光的傳播方向的。光的偏振性證明了光是橫波，人們通過對光的偏振性質(zhì)的研究， 更深刻地認(rèn)識了光的傳播規(guī)律和光與物質(zhì)的相互作用規(guī)律。目前偏振光的應(yīng)用已遍及于工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、國防等部門。利用偏振光裝置的各種精密儀器，已為科研、工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)技術(shù)的檢驗(yàn)等，提供了極有價(jià)值的方法。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?觀察光的偏振現(xiàn)象，加深偏振的基本概念。2了解偏振光的產(chǎn)生和檢驗(yàn)方法。3觀測布儒斯特角及測定玻璃折射率。4觀測橢圓偏振光和圓偏振光?！緦?shí)驗(yàn)儀器】光具座、激光器、偏振片

2、、 1/4 波片、 1/2 波片、光電轉(zhuǎn)換裝置、光點(diǎn)檢流計(jì)、觀測布儒斯特角裝置圖 1 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)物圖【實(shí)驗(yàn)原理】1偏振光的基本概念按照光的電磁理論，光波就是電磁波，它的電矢量E 和磁矢量 H 相互垂直。兩者均垂直于光的傳播方向。 從視覺和感光材料的特性上看，引起視覺和化學(xué)反應(yīng)的是光的電矢量，通常用電矢量 E 代表光的振動(dòng)方向，并將電矢量E 和光的傳播方向所構(gòu)成的平面稱為光振動(dòng)面。在傳播過程中，光的振動(dòng)方向始終在某一確定方位的光稱為平面偏振光或線偏振光，如圖2（a）。光源發(fā)射的光是由大量原子或分子輻射構(gòu)成的。由于熱運(yùn)動(dòng)和輻射的隨機(jī)性，大量原子或分子發(fā)射的光的振動(dòng)面出現(xiàn)在各個(gè)方向的幾率是相同的。一

3、般說，在10 6s 內(nèi)各個(gè)方向電矢量的時(shí)間平均值相等，故出現(xiàn)如圖2（ b ）所示的所謂自然光。有些光的振動(dòng)面在某個(gè)特定方向出現(xiàn)的幾率大于其他方向，即在較長時(shí)間內(nèi)電矢量在某一方向較強(qiáng)，這就是如圖2（c）所示的所謂部分偏振光。還有一些光，其振動(dòng)面的取向和電矢量的大小隨時(shí)間作有規(guī)則的變化，其電矢量末端在垂直于傳播方向的平面上的移動(dòng)軌跡呈橢圓（或圓形），這樣的光稱為橢圓偏振光（或圓偏振光） ，如圖2（ c）所示。圖 2 光波按偏振的分類2獲得偏振光的常用方法(1)非金屬鏡面的反射。通常自然光在兩種媒質(zhì)的界面上反射和折射時(shí)，反射光和折射光都將成為部分偏振光。并且當(dāng)入射角增大到某一特定值時(shí)，鏡面反射光成為

4、完全偏振光，其振動(dòng)面垂直于入射面，如圖 3 所示，這時(shí)入射角稱為布儒斯特角，也稱為起偏角。學(xué)習(xí)資料學(xué)習(xí)資料收集于網(wǎng)絡(luò)，僅供參考由布儒斯特定律得：其中 、 分別為兩種介質(zhì)的折射率，為相對折射率。如果自然光從空氣入射到玻璃表面而反射時(shí)，對于各種不同材料的玻璃， 已知其相對折射率n 的變化范圍在 1.50到 1.77 之間， 則可得布儒斯特角約在 560600 之間。 此方法可用來測定物質(zhì)的折射率。(2)多層玻璃片的折射。當(dāng)自然光以布儒斯特角入射到由多層平行玻璃片重疊在一起構(gòu)成的玻璃片堆上時(shí)，由于在各個(gè)界面上的反射光都是振動(dòng)面垂直入射面的線偏振光，故經(jīng)過多次反射后， 透出來的透射光也就接近于振動(dòng)方向

5、平行于入射面的線偏振光。(3)利用偏振片的二向色性起偏。將非偏振光變成偏振光的過程稱為起偏。某些有機(jī)化合物晶體具有二向色性， 它往往吸收某一振動(dòng)方向的入射光， 而與此方向垂直振動(dòng)的光則能透過， 從而可獲得線偏振光。 利用這類材料制成的偏振片可獲得較大截面積的偏振光束，但由于吸收不完全，所得的偏振光只能達(dá)到一定的偏振度。(4)利用晶體的雙折射起偏。自然光通過各向異性的晶體時(shí)將發(fā)生雙折射現(xiàn)象，雙折射產(chǎn)生的尋常光（ o 光）和非常光 （ e光）均為線偏振光。o 光光矢量的振動(dòng)方向垂直于自己的主截面；e 光光矢量的振動(dòng)方向在自己的主截面內(nèi)。 方解石是典型的天然雙折射晶體，常用它制成特殊的棱鏡以產(chǎn)生線偏

6、振光。利用方解石制成的沃拉斯頓棱鏡能產(chǎn)生振動(dòng)面互相垂直的兩束線偏振光；用方解石膠合成的尼科耳棱鏡能給出一個(gè)有固定振動(dòng)面的線偏振光。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，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：I =0I cos2式中為入射偏振光的偏振方向與檢偏器偏振軸之間的夾角，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 將發(fā)生

7、周期性變化。當(dāng) = 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) < <90 時(shí)，透射光強(qiáng)介于最大和最小值之間，如圖所示表示了自然光通過起偏器與檢偏器的變化。圖 4 光波的起偏核檢偏根據(jù)透射光強(qiáng)度變化的情況，可以區(qū)別線偏振光、自然光和部分偏振光。(2)波片波片是用單軸晶體切成的表面平行于光軸的薄片。當(dāng)線偏振光垂直射到厚度為 L，表面平行于自身光軸的單軸晶片時(shí)，會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，尋常光（ O 光）和非常光 (e 光 )沿同一方向前進(jìn)，但傳播的速度不同。這兩種偏振光通過晶片后，它們的相位差為：其中， 為入射偏振光在真空中的波長， no 和 ne 分別為晶片對 o

8、 光和 e 光的折射率， L 為晶片的厚度。學(xué)習(xí)資料學(xué)習(xí)資料收集于網(wǎng)絡(luò)，僅供參考我們知道， 兩個(gè)互相垂直的、頻率相同且有固定相位差的簡諧振動(dòng)，可用下列方程表示（如通過晶片后光和光的振動(dòng)） ：從兩式中消去 t ，經(jīng)三角運(yùn)算后得到合振動(dòng)的方程式為由此式可知，1 當(dāng) 時(shí)， ，為線偏振光。2 當(dāng) 時(shí)， ，為正橢圓偏振光。在= 時(shí)，為圓偏振光。3 當(dāng) 為其它值時(shí)，為橢圓偏振光。在某一波長的線偏振光垂直入射到晶片的情況下，能使o 光和 e 光產(chǎn)生相位差 （相當(dāng)于光程差為 的奇數(shù)倍）的晶片，稱為對應(yīng)于該單色光的二分之一波片（1/2 波片）或波片；與此相似， 能使 o 光和 e 光產(chǎn)生相位差（相當(dāng)于光程差為的

9、奇數(shù)倍） 的晶片， 稱為四分之一波片（ 1/4 波片）或 波片。本實(shí)驗(yàn)中所用波片（）是對 （ 激光）而言的。如圖 5 所示，當(dāng)振幅為 A 的線偏振光垂直入射到1/4 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 A 和 A ，所以通過 1/4 波片合成的偏振狀態(tài)也隨角度的變化而不同。圖 51當(dāng) = 時(shí)，獲得振動(dòng)方向平行于光軸的線偏振光（e 光）。2當(dāng) = /4 時(shí)，獲得振動(dòng)方向垂直于光軸的線偏振光（o 光）。3當(dāng) = /2 時(shí)， Ae=Ao 獲得圓偏振光。4當(dāng) 為其它值時(shí)，經(jīng)過 1/4 波片后為橢圓偏振光。所以，可以用1/4 波片獲得橢圓偏振光和圓偏振光?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容與步

10、驟】1起偏與檢偏鑒別自然光與偏振光，驗(yàn)證馬呂斯定律。(1) 在光源至光屏的光路上插入起偏器P1，旋轉(zhuǎn) P1 ，觀察光屏上光斑強(qiáng)度的變化情況。(2) 在起偏器 P1 后面再插入檢偏器 P2。固定 P1 的方位 ,旋轉(zhuǎn) P2 ，旋轉(zhuǎn) 3600，觀察光屏上光斑強(qiáng)度的變化情況。有幾個(gè)消光方位？(3) 以硅光電池代替光屏接收 P2 出射的光束， 旋轉(zhuǎn) P2，記錄相應(yīng)的光電流值， 共轉(zhuǎn) 900，在坐標(biāo)紙上作出 Icos2關(guān)系曲線。2觀測布儒斯特及測定玻璃折射率(1) 在起偏器 P1 后，插入測布儒斯特角的裝置，再在P1 和裝置之間插入一個(gè)帶小孔的光屏。調(diào)節(jié)玻璃平板，使反射的光束與入射光束重合。記下初始角。

11、(2) 一面轉(zhuǎn)動(dòng)玻璃平板，一面同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)起偏器P1，使其透過方向在入射面內(nèi)。反復(fù)調(diào)節(jié)直到反射光消失為止， 此時(shí)記下玻璃平板的角度，重復(fù)測量三次， 求平均值。 算出布儒斯特角 。(3) 把玻璃平板固定在平儒斯特角的位置上，去掉起偏器1，在反射光束插入檢偏器P2，轉(zhuǎn)PP2，觀察反射光的偏振狀態(tài)。3觀察橢圓偏振光和圓偏振光學(xué)習(xí)資料學(xué)習(xí)資料收集于網(wǎng)絡(luò)，僅供參考(1)先使起偏器 P1 和檢偏器 P2 的偏振軸垂直（即檢偏器P2 后的光屏上處于消光狀態(tài)） ，在起偏器 P1 和檢偏器 P2 之間插入 1/4 波片，轉(zhuǎn)動(dòng)波片使P2 后的光屏上仍處于消光狀態(tài)（此時(shí)= ）。(2)從 = 的位置開始， 使檢偏器 P2

12、 轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)可以從屏上光強(qiáng)的變化看到經(jīng)過1/4 波片后的光為線偏振光。(3)取 =900，使檢偏器 P2 轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)也可以從屏上光強(qiáng)的變化看到經(jīng)過1/4 波片后的光為線偏振光。其振動(dòng)面與= 時(shí)的振動(dòng)面垂直。(4)取為除00 和 900 外的其他值，觀察轉(zhuǎn)動(dòng)P2 時(shí)屏上光強(qiáng)的變化，其結(jié)果與橢圓偏振光對應(yīng)。特別是當(dāng)=450 時(shí)， P 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)屏上光強(qiáng)幾乎不變，這便是圓偏振光對應(yīng)的狀態(tài)。2【注意事項(xiàng)】1、實(shí)驗(yàn)中各元件不能用手摸，實(shí)驗(yàn)完畢后按規(guī)定位置放置好。2、不要讓激光束直接照射或反射到人眼內(nèi)。【數(shù)據(jù)記錄及處理】表 1 馬呂斯定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)P1 與 P2 偏振化 光電流的讀數(shù)I （ ）方向夾角實(shí)驗(yàn) I/I 0理論 I/I 0=cos2第一次第三次第二次01.0003000.754500.506000.259000.00