偏振光的產(chǎn)生與檢測(cè)

1、3.12偏振光的產(chǎn)生與檢測(cè)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1)通過(guò)觀察光的偏振現(xiàn)象，加深對(duì)光波傳播規(guī)律的認(rèn)識(shí)；(2)掌握偏振光的產(chǎn)生和檢驗(yàn)方法；(3)觀測(cè)圓偏振光和橢圓偏振光【實(shí)驗(yàn)裝置】光具座、激光器、白光源、光功率計(jì)、起偏器、檢偏器、1/4波片、1/2波片、帶小孔光屏【實(shí)驗(yàn)原理】1 .偏振光的概念光的波動(dòng)的形式在空間傳播屬于電磁波，它的電矢量 E E 與磁矢量 H H 相互垂直，且 E E 和H H 均垂直于光的傳播方向，如圖3-12-1所示，故光波是橫波.實(shí)驗(yàn)證明光效應(yīng)主要由電場(chǎng)引起，所以電矢量 E E 的方向定為光的振動(dòng)方向.圖3-12-1光傳播與振動(dòng)示意圖自然光源(如日光，各種照明燈等)發(fā)射的光是由構(gòu)成

2、這個(gè)光源的大量分子或原子發(fā)出的光波的合成.這些分子或原子的熱運(yùn)動(dòng)和輻射是隨機(jī)的，它們所發(fā)射的光振動(dòng)，出現(xiàn)在各個(gè)方向的幾率相等，這樣的光叫做自然光.然而自然光經(jīng)過(guò)媒質(zhì)的反射、折射或者吸收后，在某一方向上振動(dòng)比另外方向上強(qiáng)，這種光稱為部分偏振光.如果光振動(dòng)始終被限制在某一確定的平面內(nèi)，則稱為平面偏振光，也稱為線偏振光或完全偏振光.偏振光電矢量 E E 的端點(diǎn)在垂直于傳播方向的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡是一圓周的，稱為圓偏振光，是一橢圓的則稱為橢圓偏振光.2 .獲得線偏振光的方法(1)反射式起偏器(或透射式起偏器)當(dāng)自然光在兩種介質(zhì)的界面上反射或折射時(shí)，反射光和折射光都將成為部分偏振光.逐漸增大入射角，當(dāng)達(dá)到某

3、一特定值時(shí)，反射光成為完全偏振光，其振動(dòng)面垂直于入射面，如圖3-12-2起偏角(亦稱布儒斯持角).由布儒斯特定律可得. .n.n2，、tanitani0=（3-12-1）n ni例如當(dāng)光由空氣射向 n n 的玻璃平面時(shí)，| |0=57=57.若入射光以起偏角|射到玻璃面上，則反射光為全偏振光，面折射光不是全偏振光，但這時(shí)它的偏振化程度最高.如使自然光以起偏角 1 10入射并透過(guò)多層玻璃（稱玻璃片堆）.則透射出來(lái)的光也將接近于全偏振光，它的振動(dòng)面與入射面平行（2）晶體起偏器利用某些晶體的雙折射現(xiàn)象，也可獲得全偏振光，如尼科爾棱鏡等（3）偏振片（分子型薄膜偏振片）聚乙烯醇膠膜內(nèi)部含有刷狀結(jié)構(gòu)的鏈狀

4、分子，在膠膜被拉伸時(shí)，這些鏈狀分子被拉直并平行排列在拉伸方向上.由于吸收作用，拉伸過(guò)的薄膜只允許振動(dòng)取向平行于分子排列方向（此方向稱為偏振片的偏振軸）的光通過(guò).利用它可獲得線偏振光.偏振片是一種常用的“起偏”元件，用它可獲得截面積較大的偏振光束.而且出射偏振光的偏振化程度可達(dá)98%.鑒別光的偏振狀態(tài)的過(guò)程稱為檢偏，它所用的裝置稱為檢偏器.實(shí)際上，起偏器和檢偏器是通用的，用于起偏的偏振片稱為起偏器，把它用于檢偏，就成為檢偏器了按照馬呂斯定律，強(qiáng)度為 1 1的線偏振光，通過(guò)檢偏器后.透射光的強(qiáng)度為：2I I= =1 10coscos 日（3-12-2）式中 0 0 為入射光偏振方向與檢偏器偏振軸之

5、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)度將會(huì)發(fā)生周期性變化.當(dāng)日=0。時(shí)，透射光強(qiáng)度最大（如圖3-12-3（a）所示）；當(dāng)8=90時(shí)，透射光強(qiáng)度為極?。ㄏ鉅顟B(tài)（如圖3-12-3（b）所示），接近于全暗；當(dāng)0。v 日90。時(shí)，透射光強(qiáng)度介于最大和最小之間.因此，根據(jù)透射光強(qiáng)度變化情況，可以區(qū)別線偏振光、自然光和部分偏振光.圖3-12-3表示自然光通過(guò)起偏器和檢偏器的變化情況.圖3-12-3自然光經(jīng)過(guò)起偏器和偏振器的情況本實(shí)驗(yàn)是利用偏振片（起偏器和檢偏器）觀察偏振光的偏振情況3.波片的偏光作用波片也稱相位延遲片，是由晶體制成的厚度均勻的薄片，其光軸與薄片表面平行，它能使晶片內(nèi)

6、的。光和e光通過(guò)晶片后產(chǎn)生附加相位差.根據(jù)薄片的厚度不同，可以分為1/2波長(zhǎng)片，1/4波長(zhǎng)片等，所用的1/2、1/4波長(zhǎng)片皆是對(duì)鈉光而言的.當(dāng)線偏振光垂直射到厚度為L(zhǎng),表面平行于自身光軸的單軸晶片時(shí)，則尋常光（。光）和非常光（e光）沿同一方面前進(jìn)，但傳播的速度不同.這兩種偏振光通過(guò)晶片后，它們的相位差中為：2no-neL其中，K為入射偏振光在真空中的波長(zhǎng)，叫和0分別為晶片對(duì)晶片的厚度.我們知道，兩個(gè)互相垂直的，同頻率且有固定相位差的簡(jiǎn)諧振動(dòng),過(guò)（3-12-3）。光e光的折射率，L為可用下列方程表示（通屜儲(chǔ)器檜偏睢起量罌鞫偏祥晶片后。光和e光的振動(dòng)）：X=AesintY=AsintJ； j從兩式

7、中消去t,經(jīng)三角運(yùn)算后得到公振動(dòng)的方程式為：22一XY2XY21+cos平=sin中（3-12-4）AeAAeA由式（3-12-4）可知：當(dāng)中=k兀（k=0,1,2,）時(shí)，為線偏振光；當(dāng)中=（2K+%（k=0,1,2,）時(shí)，為正橢圓偏振光，在Ao=A時(shí)，為圓偏振光；當(dāng)中為其他值時(shí)，為橢圓偏振光.在某一波長(zhǎng)的線偏振光垂直入射于晶片的情況下，能使。光和e光產(chǎn)生相位差呼=（2K K+1）n（相當(dāng)于光程差為Z/2的奇數(shù)倍）的晶片，稱為對(duì)應(yīng)于該單色光的二分之一波片（A/2波片），與此相似，能使。光和e光產(chǎn)生相位邛=（2K+1）兀（相當(dāng)于光程2差為入/4的奇數(shù)倍） 的晶片， 稱為四分之一波片 （？J4波片

8、） .本實(shí)驗(yàn)中所用波片（K/4）是對(duì)6328A （H-Ne激光）而言的.如圖3-12-4所示，當(dāng)振幅為 A A的線偏振光垂直入射到九/4光軸成 8 8 角時(shí)， 由于o光和e光 （通過(guò)波晶片后）的振幅分別為過(guò)我/4波片后合成的偏振狀態(tài)也隨角度 8 8的變化而不同.1當(dāng)日=00時(shí)，獲得振動(dòng)方向平行于光軸的線偏振光；2當(dāng)日=兀/2/2 時(shí)， 獲得振動(dòng)方向垂直于光軸的線偏振光；當(dāng) 8 8= =n n/4/4 時(shí)，同時(shí)當(dāng)日為其他值時(shí)，經(jīng)過(guò)當(dāng)中二K無(wú)時(shí)波片上，其振動(dòng)方向與波片Asin0和Acos0,所以通3.橢圓偏振光的測(cè)量橢圓偏振光的測(cè)量包括長(zhǎng)、方位與橢圓長(zhǎng)軸的夾角為華時(shí)，22I=Acos短軸之比及長(zhǎng)、

9、短軸方位的測(cè)定則透射光強(qiáng)為：A；sin2:.如圖3-29所示，當(dāng)檢偏器(3-12-5)Ae=Ao獲得圓偏振光；K/4波片后為橢圓偏振光.圖3-12-52I=Imax=A(3-12-6)則橢圓長(zhǎng)短軸之比為橢圓長(zhǎng)軸的方位即為Imax的方位.【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟】1.起偏與檢偏鑒別自然光與偏振光(1)如圖3-12-6所示，在光源至光屏的光路上插入起偏器Pi,旋轉(zhuǎn)P,觀察光屏上光斑強(qiáng)度的變化情況；*本單色自然光源起偏落力1/41/4波片檢偏器光屏圖3-12-6(2)在起偏器P1后面再插入檢偏器P2,固定R方位， 旋轉(zhuǎn)B,旋轉(zhuǎn)360,觀察光屏上光斑強(qiáng)度的變化情況，并將光屏上最強(qiáng)和最弱時(shí)的對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度記錄到表

10、3-12-1中；(3)以光功率計(jì)代替光屏接收P2出射的光束，旋轉(zhuǎn)F2,每轉(zhuǎn)過(guò)10記錄一次相應(yīng)的光功率值，共轉(zhuǎn)180。，將相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄到表3-12-2中，且利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上作出Icos2日關(guān)系曲線，看其是否與馬呂斯定律相一致.2.觀測(cè)橢圓偏振光和圓偏振光參照?qǐng)D3-12-3(b)所示， 先使起偏器R和檢偏器P2偏振軸垂直(即檢偏器B后的光屏上處于消光狀態(tài))，在起偏器R和檢偏器P2之間插入九/4波片(如圖3-12-6),轉(zhuǎn)動(dòng)波片使P2后的光屏上仍處于消光狀態(tài)(使K/4波片光軸與起偏器P1透光軸方向平行).用光功率計(jì)取代光屏.(2)將起偏器P1轉(zhuǎn)過(guò)20。，調(diào)節(jié)光功率計(jì)的位置盡可能使得B透射

11、出的偏振光全部進(jìn)入光功率計(jì)的接受范圍.轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器P2找出功率最大的位置，并記下相應(yīng)光功率值.重復(fù)測(cè)量3次，求平均值.(3)轉(zhuǎn)動(dòng)R,使R的光軸與兒/4波片的光軸的夾角依次為30、45、60、75、90值，在取上述每一個(gè)角度時(shí)，都將檢偏器R轉(zhuǎn)動(dòng)一周，觀察從巳透出光的強(qiáng)度變化.【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).【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果處理】表3-12-1光屏上光斑強(qiáng)度檢偏器P2旋轉(zhuǎn)角度表3-12-2檢偏器P2旋轉(zhuǎn)角度日cos2日光功率計(jì)讀數(shù)P光強(qiáng)I=P-S0102030I=Imin=(3-12-7)AiImax1min(3-12-

12、8)40180由于在測(cè)量位置以及實(shí)驗(yàn)條件不變時(shí)，光強(qiáng)度與光功率計(jì)的測(cè)量值為近似的線性關(guān)系，因此根據(jù)表3-12-2所得數(shù)據(jù)便可用來(lái)驗(yàn)證馬呂斯定律 I=II=I0COSCOS2 2e e【思考與討論題】（1）如何應(yīng)用光的偏振現(xiàn)象說(shuō)明光的橫波特性？怎樣區(qū)別自然光和偏振光？（2）玻璃平板在布儒斯特角的位置上時(shí)，反射光束是什么偏振光？它的振動(dòng)是在平行于入射面內(nèi)還是在垂直于入射面內(nèi)？（3）Z/4波片與R的夾角為何值時(shí)產(chǎn)生圓偏振光？為什么？（4）兩片偏振片用支架安置于光具座上，正交后消光，一片不動(dòng)，另一片的2個(gè)表面旋轉(zhuǎn)180。，會(huì)有什么現(xiàn)象？如有出射光，是什么原因？（5）2片正交偏振片中間再插入一偏振片會(huì)有

13、什么現(xiàn)象？怎樣解釋？（6）波片的厚度與光源的波長(zhǎng)什么關(guān)系？【附錄】光學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用光源能夠發(fā)光的物體統(tǒng)稱為光源.實(shí)驗(yàn)室中常用的是將電能轉(zhuǎn)換為光能的光源一電光源.常見(jiàn)的有熱輻射光源和氣體放電光源及激光光源3類.1 .熱輻射光源常用的熱輻射光源是白熾燈.普通燈泡就是白熾燈，可作白色光源，應(yīng)按儀器要求和燈泡上指定的電壓使用，如光具座、分光計(jì)、讀數(shù)顯微鏡等.2 .氣體放電光源實(shí)驗(yàn)室常用的鈉燈和汞燈（又稱水銀燈）可作為單色光源，它們的工作原理都是以金屬Na或Hg蒸汽在強(qiáng)電場(chǎng)中發(fā)生的游離放電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的弧光放電燈在220V額定電壓下，低壓鈉燈發(fā)出波長(zhǎng)為589.0nm和589.6nm的兩種單色黃光最強(qiáng)，可達(dá)8

14、5%而其他幾種波長(zhǎng)為818.0nm和819.1nm等的光僅有15%.所以，在一般應(yīng)用時(shí)取589.0nm和589.6nm的平均值589.3nm作為鈉光燈的波長(zhǎng)值.汞燈可按其氣壓的高低，分為低壓汞燈、高壓汞燈和超高壓汞燈.低壓汞燈最為常用，其電源電壓與管端工作電壓分別為220V和20V,正常點(diǎn)燃時(shí)發(fā)出青紫色光，其中主要包括7種可見(jiàn)的單色光，它們的波長(zhǎng)分另是612.35nm（紅）、579.07nm和576.96nm（黃）、546.07nm（綠）、491.60nm（藍(lán)綠）、435.84nm（藍(lán)紫）、404.66nm（紫）.使用鈉燈和汞燈時(shí)，燈管必須與一定規(guī)格的鎮(zhèn)流器（限流器）串聯(lián)后才能接到電源上去，以穩(wěn)定工作電流.鈉燈和汞燈點(diǎn)燃后一般要預(yù)熱34分鐘才能正常工作，熄滅后也需冷卻34分鐘后，方可重新開啟.3 .激光光源激光是20世紀(jì)60年代誕生的新光源.激光（Laser）是“受激輻射光放大”的簡(jiǎn)稱.它具有發(fā)光強(qiáng)度大、方向性好、單色性強(qiáng)和相干性好等優(yōu)點(diǎn).激光器是產(chǎn)生激光的裝置，它的種類很多，如氨短激光器、瀛離子激光器、二氧化碳激光器、紅寶石激光器等.實(shí)驗(yàn)室中常用的激光器是氮短（H-Ne）激光器.它由激光工作的氮短混合氣體、激勵(lì)裝置和光學(xué)諧振腔3部分組成.氮短激光器發(fā)出的光波波長(zhǎng)為632.8nm,輸出功率在幾毫瓦到十幾