大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)講義實(shí)驗(yàn)06 光的偏振實(shí)驗(yàn)

1、07 光的偏振實(shí)驗(yàn)的偏振特性，通過實(shí)驗(yàn)深入學(xué)習(xí)有關(guān)光的偏振理論?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、 理解偏振光的基本概念，偏振光的起偏與檢偏方法；2、 學(xué)習(xí)偏振片與波片的工作原理與使用方法?！緝x器用具】SGP-2A 型偏振光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)【實(shí)驗(yàn)原理】1、 光波偏振態(tài)的描述（又稱光矢量這里重點(diǎn)討論偏振光的描述。一個(gè)單色偏振光可分解為兩個(gè)偏振方向互相垂直的線偏振光的疊加，即E ax1cost（1）Ea cos(t)y2式中 x y a 、a 分別是兩偏振分量12的振幅， 為光波的圓頻率。a a12 a 、a120， 。當(dāng) 時(shí)，式（1）描述的是一個(gè)線偏振光，偏振方向與 x軸的夾角 arctan( a2 cos 稱為線偏振光

2、的方位角（1 所示。a1EyaEya2Oa1EEya2a1OEx0 EyOExEyOEx /2 EyOExEyOEx圖 1 線偏振光圖 2 圓偏振光Eya2Oa1Ex圖 3 橢圓偏振光當(dāng) /Eya2Oa1Ex圖 3 橢圓偏振光1 a 描述的是2一個(gè)圓偏振光，其特點(diǎn)是光矢量為角速度 旋轉(zhuǎn)，光矢量的端點(diǎn)的軌跡為一圓。 的正負(fù)決定了光矢量的旋向， / 2 / 2時(shí)為左旋圓偏振光（2 所示。（3 所示。偏振的一個(gè)重要應(yīng)用是研究光波通過某個(gè)光學(xué)系統(tǒng)后偏振狀態(tài)的變化來了解此系統(tǒng)的一些性質(zhì)。2、 偏振片和馬呂斯定律偏振片有一個(gè)透射軸（即偏振化方向）只有光矢量振動(dòng)方向與透射軸方向平行的光波分量才能通過偏振片。

3、因此光波通過偏振片 后，將變成光矢量沿透射軸方向振動(dòng)的線偏振光，因此利用偏振片可以產(chǎn)生線偏振光。自然光自然光線偏振光I0I1. .I2A0A2P1P2圖 4 線偏振光的產(chǎn)生和檢測將兩個(gè)偏振片1 和2 平行放置（如圖4表示。當(dāng)自然光垂直入射P1 P1 P1 的光強(qiáng)不隨 P1 的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，但它只有入射光強(qiáng)的P1 P2P2 繞光的傳播方向慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)，則因?yàn)橹挥衅叫杏赑2 透射軸方向的光振動(dòng)才允許通過，透過P2 P2 的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化。當(dāng)P2 的偏振化方向平行于入射光的光矢量方向，即P1 P2 的偏振化方向平行時(shí)，透過它的光強(qiáng)最強(qiáng)。當(dāng)P2 的偏振化方向垂直于入射光的光矢量方向，即P1 P2 的偏P1P2E

4、1E2振化方向垂直時(shí)，透過它的光強(qiáng)為零，稱為消光。將 P2 P2 上的光是線偏振光時(shí)才會(huì)P1P2E1E2以 E 表示線偏振光的光矢量的振幅，當(dāng)入射的線1偏振光的光矢量振動(dòng)方向與檢偏器的偏振化方向成角時(shí)（圖5，透過檢偏器的光矢量振幅E2只是 E 在1馬呂斯定律偏振化方向的投影，即 E馬呂斯定律2 E cos 1振動(dòng)振幅的平方成正比，若以I1 表示入射線偏振光的光強(qiáng)，則透過檢偏器后的光強(qiáng)I 2 為I 2 I1 cos2 （2）這一公式稱為馬呂斯定律 。由此式可見，當(dāng) I2 I1 / / 2 時(shí)，I 2 0 為其它角度I 2 0 I1 之間。我們可以根據(jù)偏振光透過檢偏器后透射光的光強(qiáng)變化情況區(qū)分偏振

5、光的偏振狀態(tài)都不變的，則為圓偏振光。45角，而且向同一方向傾斜的偏振車燈晃眼。鏡的左右兩個(gè)鏡片就是用偏振片做的，它們的偏振化方向互相垂直。3、 波片和雙折射（如方解石晶體時(shí)分成兩束線偏振光的現(xiàn)象稱為雙 折射現(xiàn)象，見圖折射率n o 相同，且在入射面內(nèi)傳播，這一條光稱為尋常光，簡稱o 光。另一條折射光不服n e內(nèi)傳播，這一條光稱為非常光，簡稱e 光。一般情況o 光和e o e 光的傳播在設(shè)計(jì)波片時(shí)光軸是平行于波片的表面o 光和e 光同方向傳播且垂直于光光矢量平行于光d，從波片出射時(shí)就會(huì)產(chǎn)生相位差(n 2(non )d（3）e式中n 、n oe0e波片厚度不同，相位差就不一樣。常用的波片中，若 2k

6、 的波片稱為全波片； 2k 的稱為半波片或 1/2 波片； 2k / 2 的稱為 1/4 波片。o光eo光圖 6 雙折射現(xiàn)象圖 6 雙折射現(xiàn)象光軸檢偏器波片圖 7 線偏振光經(jīng)過波片的偏振態(tài)變化下面我們考慮線偏振光經(jīng)過波片后偏振態(tài)的變化，見圖7。如圖7 所示，入射的線偏振光振動(dòng)方向的方位角為 。見圖 8，光軸在x 方向，則 e 光光矢量在x 方向，o 光光矢量在y 方向。入射的線偏振光可沿x 和 y 方向分解為e 光和 o 光，它們同頻同相，可表示為：E aecost（4）經(jīng)過波片后，兩分量變成E aocostE/ a costee（5）E / acos(t)oo式中t 式中t t n d /

7、c 可以看出經(jīng)過線偏振光經(jīng)過波ye片后出來的光一般是橢圓偏振光。具體情況見表 1，入射光為o 光ao線偏振光， (光軸22,。axee 光表 1 三種波片的偏振狀態(tài)圖 8 波片的特性波片種類| |0,/2|/4其它角度1/4 波片線偏振狀態(tài)保持不變線偏振狀態(tài)保持不變線偏振狀態(tài)保持不變圓偏振光橢圓偏振光1/2 波片線偏振光，但透射光振動(dòng)方向與入射光關(guān)于光軸對稱，相對于入射光轉(zhuǎn)過2 角全波片。iiiibbn1n1n2n2圖 9 自然光反射和折射后產(chǎn)生部分偏振光圖 10 布儒斯特角i 時(shí)，b反射光是光振動(dòng)垂直于入射面的線偏振光（圖10i 稱為起偏振角，或b稱為布儒斯特角。當(dāng)光線以起偏振角入射時(shí)，反射

8、光和折射光的傳播方向相互垂直，即i r b2n6根據(jù)折射定律，有n61sin ib nsin r n2cosibtan ib2（ ）n11812年從實(shí)驗(yàn)上確定這一定律的布儒斯特而命名的?！緝x器介紹】SGP-2A 氦氖激光器測角臺(tái)偏振片波片架光電探頭光 電流 放大 器滑動(dòng)座導(dǎo)軌和機(jī)座圖 11 偏振光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要部件：導(dǎo)軌和和機(jī)座、氦氖激光器和激光器架、光電探頭和光電流放大器、光學(xué)測角臺(tái)、偏振片波片架，X 軸旋轉(zhuǎn)架3 個(gè)、滑動(dòng)座4 套，以上部件見圖1。圖上沒標(biāo)的其它部件有小白屏、黑玻璃鏡、偏振片2 1/4 波片。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求】1、 儀器檢查（見表 2，請打勾，如缺零件請向指導(dǎo)教師報(bào)告情況，實(shí)驗(yàn)

9、完成恢復(fù)原位）表 2儀器清單名稱規(guī)格數(shù)量檢查情況導(dǎo)軌和機(jī)座l= 1m1 套氦氖激光器激光器架約 1.5mW1 套1 個(gè)光學(xué)測角臺(tái)SZ-471 套名稱規(guī)格數(shù)量檢查情況黑玻璃鏡5027 mm1 塊小白屏70501 個(gè)偏振片波片架SZ-513 個(gè)滑動(dòng)座偏振片含橫向調(diào)節(jié)座 2 個(gè)4 套2 片半波片632.8nm1 片1/4 波片光電探頭光電流放大器=632.8nmAP-1 型1 片1 個(gè)1 臺(tái)元件盒1/4元件盒1/4 波片SZ-51 型偏振片波片架 置于 0）和光電探頭安裝在機(jī)座導(dǎo)軌10 放大（從這我們可以看出所發(fā)出的氦氖激光的偏振狀態(tài)是什么？注意：光電放大器前面板有一個(gè)增益調(diào)節(jié)旋鈕，可以酌情調(diào)節(jié)，但

10、需注意增益過大 而溢出。PP12白屏光電探頭氦氖激光器1 SZ-51 型偏振片波片架P2 和小白屏安裝在機(jī)座導(dǎo)軌的滑動(dòng)座上，順序見圖12PP12白屏光電探頭氦氖激光器圖 12 起偏與檢偏驗(yàn)證馬呂斯定律：拿掉小白屏，通過連接光電流放大器的光電探頭測量透射光強(qiáng)。旋轉(zhuǎn)檢偏器P2到9（注意測量過程中不可調(diào)節(jié)增益旋鈕3I 與2 3 光強(qiáng)與角度的關(guān)系 （） （）0153045607590cos 2 I起偏器P1 0P2 中間插入半波片C，調(diào)至等高共軸，見圖13觀察消光的次數(shù)并解釋這現(xiàn)象。PPCP12白屏光電探頭氦氖激光器圖 13 波片的特性研究將半波片轉(zhuǎn)至一任意角度（不要取091827，然后旋轉(zhuǎn)檢偏器一周

11、，觀察發(fā)生的現(xiàn)象并作出解釋。P1 0P2 9015，破壞其消光；轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器P2 至消光位置，并記錄檢偏器P2 所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。繼續(xù)將半波片轉(zhuǎn)1（即總轉(zhuǎn)動(dòng)角為3，記錄檢偏器達(dá)到消光所轉(zhuǎn)總角度。依次使半波片總轉(zhuǎn)角為 456075904。表 4 半波片的特性研究半波片轉(zhuǎn)動(dòng)角度半波片轉(zhuǎn)動(dòng)角度153045607590檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)角度1/4 波片代替半波片，起偏器P1 0不變，檢偏器P2 901/4 1/4 波片轉(zhuǎn)動(dòng) 151/4 波片出來光的偏振狀態(tài)。依次將轉(zhuǎn)動(dòng)總角度為 30456075905。表 5 1/4 波片的特性研究1/41/4360透過波片后光的偏振性質(zhì)1530456075904、 布儒斯特角的測定

12、將已裝有偏振片的 SZ-51 型偏振片波片架（偏振片置于90。為什么？）頭安裝在機(jī)座導(dǎo)軌的滑動(dòng)座上，調(diào)等高共軸，旋轉(zhuǎn)激光器使光電放大器顯示一個(gè)較大值。起偏器氦氖激光器起偏器氦氖激光器黑鏡光學(xué)測角臺(tái)圖 14 布儒斯特角的測定按圖 14 轉(zhuǎn)動(dòng)測角臺(tái)，使反射光束原路返回，由此定出入射光束的零度方位。轉(zhuǎn)動(dòng)測角臺(tái)接 （光電探頭安裝在接收臂上至 反射角1070之間的相對光強(qiáng)大 ?。慈肷浣?636。表 6 布儒斯特角的測量（） （） 10I203040485052545556575860626470【注意事項(xiàng)】1、 切勿用眼睛直視激光器的軸向輸出光束，以免視網(wǎng)膜受到永久性的傷害。2、 取放光學(xué)元件應(yīng)小心，不許觸摸光學(xué)表面。3、 因有些偏振片的檢偏特性不理想，不能完全消光，只有采取比較的方法，找到一個(gè)消光相對來說能達(dá)到最暗的位置。4可以進(jìn)行相對光強(qiáng)修正（即讀數(shù)減掉本底電流。【思考問題】1、 迎著太陽駕車，路面的反光很耀眼，一種用偏振片做成的太陽鏡能減弱甚至消除這種眩光。這種太陽鏡較之普通的墨鏡有什么優(yōu)點(diǎn)？應(yīng)如何設(shè)置它的偏振化方向？2、 設(shè)計(jì)一個(gè)方案區(qū)別自然光、部分偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光和線偏振光。3、 在透振方向互相垂直的兩片偏振片中插入 1/2 波片，使光軸和起偏器的透振方向平行，