實驗六偏振光的觀測與分析ppt課件

1、 實驗六實驗六 偏振光的觀測與分析偏振光的觀測與分析 光的干涉和衍射實驗證明了光的波動性質(zhì)。本實驗將進一步說明光是橫波而不是縱波，即其電矢量E和磁矢量H 的振動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、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、生產(chǎn)技術(shù)的檢驗等，提供了極有價值的方法。 【實驗?zāi)康摹俊緦嶒災(zāi)康摹?觀察光的偏振現(xiàn)象，加深偏振的基本概念。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)生和檢驗方法。了解偏振光的產(chǎn)生和檢驗方法。3

2、觀測布儒斯特角及測定玻璃折射率。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。觀測橢圓偏振光和圓偏振光?！緦嶒瀮x器】【實驗儀器】 光具座、激光器、偏振片、光具座、激光器、偏振片、1/4波片、波片、1/2波波片、光電轉(zhuǎn)換裝置、光點檢流計、觀測布儒片、光電轉(zhuǎn)換裝置、光點檢流計、觀測布儒斯特角裝置斯特角裝置【實驗原理】【實驗原理】1偏振光的基本概念偏振光的基本概念 按照光的電磁理論，光波就是電磁波，它的按照光的電磁理論，光波就是電磁波，它的電矢量電矢量E和磁矢量和磁矢量H相互垂直。兩者均垂直于相互垂直。兩者均垂直于光的傳播方向。從視覺和感光材料的特性上光的傳播方向。從視覺和感光材料的特

3、性上看，引起視覺和化學反應(yīng)的是光的電矢量，看，引起視覺和化學反應(yīng)的是光的電矢量，通常用電矢量通常用電矢量E代表光的振動方向，并將電代表光的振動方向，并將電矢量矢量E和光的傳播方向所構(gòu)成的平面稱為光和光的傳播方向所構(gòu)成的平面稱為光振動面。振動面。 在傳播過程中，光的振動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 (a)。光源發(fā)射的光是由大量原子或分子輻射構(gòu)成的。由于熱運動和輻射的隨機性，大量原子或分子發(fā)射的光的振動面出現(xiàn)在各個方向的幾率是相同的。一般說，在106 s內(nèi)各個方向電矢量的時間平均值相等，故出現(xiàn)如圖 (b)所示的所謂自然光。有些光的振動面在某個特定方向出現(xiàn)的幾率大于其他方

4、向，即在較長時間內(nèi)電矢量在某一方向較強，這就是如圖 (c)所示的所謂部分偏振光。還有一些光，其振動面的取向和電矢量的大小隨時間作有規(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 (d)所示。 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，反射光和折射光都將成為部分偏振光。并且當入射角 增大到某一特定值時，鏡面 反射光成為完全偏振 光，其振動面垂直于 入射面，如下圖， 這時入射角稱為布儒 斯特角,也稱為起偏角。 0v由布儒斯特定律得：v其中 、 分別為兩種介質(zhì)的折射率， 為相對折射率。

5、v如果自然光從空氣入射到玻璃表面而反射時，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。 nnn120tan1n2nn0v(2)多層玻璃片的折射。v當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，由于在各個界面上的反射光都是振動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方向平行于入射面的線偏振光。 0v(3)利用偏振片的二向色性起偏。v將非偏振光變成偏振光的過程稱為起偏。v某些有機化合物晶體具有二向色性，它往往吸收某一振動方向的入射光，而與

6、此方向垂直振動的光則能透過，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到一定的偏振度。v(4)利用晶體的雙折射起偏。v自然光通過各向異性的晶體時將發(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光光矢量的振動方向垂直于自己的主截面；e光光矢量的振動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)生線偏振光。利用方解石制成的沃拉斯頓棱鏡能產(chǎn)生振動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有固定振動面的線偏振光。 v3偏振片、波片及其作用v(1)偏振片 v偏振片是利用

7、某些有機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的光，而透過與此垂直方向振動的光，由于在應(yīng)用時起的作用不同，用來產(chǎn)生偏振光的偏振片叫做起偏器；用來檢驗偏振光的偏振片，叫做檢偏器。v按照馬呂斯定律，強度為0的線偏振光通過檢偏器后，透射光的強度為：v = 0 cos2v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，顯然當以光線傳播方向為軸轉(zhuǎn)動檢偏器時，透射光強度將發(fā)生周期性變化。當 = 時，透射光強最大；當 =900時，透射光強為極小值消光狀態(tài)），當00 900時，透射光強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。 00v根

8、據(jù)透射光強度變化的情況，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，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，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光和e光的折射率，L為晶片的厚度。Lnneo)(2v我們知道，兩個互相垂直的、頻率相同且有固定相位差的簡諧振動，可用下列方程表示如通過晶片后光和光的振動）：)cos(cos0tAytAxe從兩式中消去t，經(jīng)三角運算后得到合振動的方程式為22222s

9、incos2oeoeAAxyAyAx由此式可知，1.當 時， ,為線偏振光。2.當 時， ，為正橢圓偏振光。在 = 時，為圓偏振光。3.當 為其它值時，為橢圓偏振光。 ), 2 , 1 , 0(kkxAAyeo), 2 , 1 , 0(2) 12(kk12222oeAyAxoAeA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 （相當于光程差為 的奇數(shù)倍的晶片，稱為四分之一波片1/4波片或 波片。本實驗中所用波片（ ）是對 （ 激光而言的。 ) 12(

10、k22)212(k44406328 AeeNH v如下圖，當振幅為A的線偏振光垂直入射到1/4波片上，振動方向與波片光軸成 角時，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。sincosv1當 = 時，獲得振動方向平行于光軸的線偏振光e光）。v2當 = /4時，獲得振動方向垂直于光軸的線偏振光o光）。v3當 = /2時，Ae=Ao獲得圓偏振光。v4當 為其它值時，經(jīng)過1/4波片后為橢圓偏振光。v所以，可以用1/4波片獲得橢圓偏振光和圓偏振光。00v【實驗內(nèi)容與步驟】【實驗內(nèi)容與步驟】v1起偏與檢偏鑒別自然光與偏振光，驗證馬起偏與檢偏鑒別自然光與

11、偏振光，驗證馬呂斯定律。呂斯定律。v(1)在光源至光屏的光路上插入起偏器在光源至光屏的光路上插入起偏器P1，旋，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)P1，觀察光屏上光斑強度的變化情況。，觀察光屏上光斑強度的變化情況。v(2)在起偏器在起偏器P1后面再插入檢偏器后面再插入檢偏器P2。固定。固定P1的方位的方位,旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)P2 ，旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)3600，觀察光屏上，觀察光屏上光斑強度的變化情況。有幾個消光方位？光斑強度的變化情況。有幾個消光方位？v(3)以光電轉(zhuǎn)換裝置代替光屏接收以光電轉(zhuǎn)換裝置代替光屏接收P2出射的光出射的光束，旋轉(zhuǎn)束，旋轉(zhuǎn)P2，記錄相應(yīng)的光電流值，共轉(zhuǎn)，記錄相應(yīng)的光電流值，共轉(zhuǎn)3600，在坐標紙上作出，在坐標紙上作

12、出Icos2關(guān)系曲線。關(guān)系曲線。v2觀測布儒斯特及測定玻璃折射率v(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。v(2)一面轉(zhuǎn)動玻璃平板，一面同時轉(zhuǎn)動起偏器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。v(3)把玻璃平板固定在平儒斯特角的位置上，去掉起偏器P1，在反射光束插入檢偏器P2，轉(zhuǎn)P2，觀察反射光的偏振狀態(tài)。 v3觀察橢圓偏振光和圓偏振光v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

13、偏器P1和檢偏器P2之間插入1/4波片，轉(zhuǎn)動波片使P2后的光屏上仍處于消光狀態(tài)此時 =00）。v從 = 00 的位置開始，使檢偏器P2轉(zhuǎn)動，這時可以從屏上光強的變化看到經(jīng)過1/4波片后的光為線偏振光。 v取 =900，使檢偏器P2轉(zhuǎn)動，這時也可以從屏上光強的變化看到經(jīng)過1/4波片后的光為線偏振光。其振動面與 = 00 時的振動面垂直。v取 為除00和900外的其他值，觀察轉(zhuǎn)動P2時屏上光強的變化，其結(jié)果與橢圓偏振光對應(yīng)。特別是當 =450時，P2轉(zhuǎn)動時屏上光強幾乎不變，這便是圓偏振光對應(yīng)的狀態(tài)。v【數(shù)據(jù)記錄及處理】【數(shù)據(jù)記錄及處理】v表表1 馬呂斯定律驗證實驗馬呂斯定律驗證實驗P1與P2偏振化方向夾角光電流的讀數(shù)I （ ）實驗 I/I0理論 I/I0=cos2第一次第二次第三次003004506003600Av表2玻璃折射率的測定與計算次數(shù)玻璃平板的角位置布儒斯特角玻璃折射率n=tg光垂直入射時反射光消光時1231212000v【本卷須知】【本卷須知】v1、實驗中各元件不能用手摸，實驗完畢后按規(guī)定、實驗中各元件不能用手摸，實驗完畢后按規(guī)定位置放置好。位置放置好。v2、不要讓激光束直接照射或反射到人眼內(nèi)。、不要讓激光束直接照射或反射到人眼內(nèi)。v 【思考題】【思考題】v偏振光的獲得