偏振光的產(chǎn)生與檢測

1、3.12偏振光的產(chǎn)生與檢測【實驗?zāi)康摹浚?）通過觀察光的偏振現(xiàn)象，加深對光波傳播規(guī)律的認識；（2）掌握偏振光的產(chǎn)生和檢驗方法；（3）觀測圓偏振光和橢圓偏振光.【實驗裝置】光具座、激光器、白光源、光功率計、起偏器、檢偏器、1/4波片、1/2波片、帶小孔光屏【實驗原理】1. 偏振光的概念光的波動的形式在空間傳播屬于電磁波，它的電矢量E與磁矢量H相互垂直，且E和H均垂直于光的傳播方向，如圖3-12-1所示，故光波是橫波.實驗證明光效應(yīng)主要由電場引起，所以電矢量E的方向定為光的振動方向.圖3-12-1光傳播與振動示意圖自然光源（如日光，各種照明燈等）發(fā)射的光是由構(gòu)成這個光源的大量分子或原子發(fā)出的光波的

2、合成.這些分子或原子的熱運動和輻射是隨機的，它們所發(fā)射的光振動，出現(xiàn)在各個方向的幾率相等，這樣的光叫做自然光.然而自然光經(jīng)過媒質(zhì)的反射、折射或者吸收后，在某一方向上振動比另外方向上強，這種光稱為部分偏振光.如果光振動始終被限制在某一212空氣玻瑕圖3-12-2反射起偏光路圖確定的平面內(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的端點在垂直于傳播方向的平面內(nèi)運動軌跡是一圓周的，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）當自然光在兩種介質(zhì)的界面上反射或折射時，反射光和折射光都將成為部分偏振光.逐漸增大入射角，當達到某一

3、特定值時，反射光成為完全偏振光，其振動面垂直于入射面，如圖3-12-2起偏角（亦稱布儒斯持角）.由布儒斯特定律可得ntani=2（3121）0n1例如當光由空氣射向n的玻璃平面時，i二570.0若入射光以起偏角i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，0但這時它的偏振化程度最高如使自然光以起偏角i入射并透過多層玻璃（稱玻璃片堆）則0透射出來的光也將接近于全偏振光，它的振動面與入射面平行.（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)的鏈狀分子，在膠膜被拉伸時，這些鏈狀分子被拉直并平行排列在

4、拉伸方向上.由于吸收作用，拉伸過的薄膜只允許振動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.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98.鑒別光的偏振狀態(tài)的過程稱為檢偏，它所用的裝置稱為檢偏器.實際上，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，強度為I的線偏振光，通過檢偏器后.透射光的強度為：0I二ICOS29（3122）式中9為入射光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，透射光強度將會發(fā)生周期性變化當9=0

5、6;時，透射光強度最大（如圖3-12-3（a）所示）；當9=90。時，透射光強度為極?。ㄏ鉅顟B(tài)（如圖3-12-3（b）所示），接近于全暗；當0°<9<90。時，透射光強度介于最大和最小之間因此，根據(jù)透射光強度變化情況，可以區(qū)別線偏振光、自然光和部分偏振光.圖3-12-3表示自然光通過起偏器和檢偏器的變化情況.農(nóng)抽|姒詐妁滬起帖普掙濡徼.甩混髀必需忙：門圖3-12-3自然光經(jīng)過起偏器和偏振器的情況本實驗是利用偏振片（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)的。光和e光通過

6、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波長片，1/4波長片等，所用的1/2、1/4波長片皆是對鈉光而言的.當線偏振光垂直射到厚度為，表面平行于自身光軸的單軸晶片時，則尋常光光）和非常光（e光）沿同一方面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p為：|n（n-n）L（3-12-3）九oe其中，為入射偏振光在真空中的波長，n和n分別為晶片對。光e光的折射率，L為0e晶片的厚度.我們知道，兩個互相垂直的，同頻率且有固定相位差的簡諧振動，可用下列方程表示（通過晶片后。光和e光的振動）：X=AsintY二Asin(t+申)o從兩式中消去t，經(jīng)三角運算后得到全振動的方程式為

7、:+cos申二sin2申（3-12-4）A2A2AAeoeo由式（3-12-4）可知: 當9=k兀（k=0，1，2，）時，為線偏振光； 當9=（2K+l）n（k=0，1，2，）時，為正橢圓偏振光，在A=A時，為圓偏2oe振光； 當9為其他值時，為橢圓偏振光.在某一波長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9=（2K+1）兀（相當于光程差為九/2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（九/2波片），與此相似，能使。光和e光產(chǎn)生相位9=（2K+1）n（相當于光程2差為久/4的奇數(shù)倍）的晶片，稱為四分之一波片（九/4波片）本實驗中所用波片（九/4）是對6328A（H-

8、N激光）而言的.ee如圖3-12-4所示，當振幅為A的線偏振光垂直入射到九/4波片上，其振動方向與波片光軸成9角時，由于。光和e光（通過波晶片后）的振幅分別為Asin0和Acos0，所以通過九/4波片后合成的偏振狀態(tài)也隨角度0的變化而不同. 當0=0°時，獲得振動方向平行于光軸的線偏振光； 當0=兀/2時，獲得振動方向垂直于光軸的線偏振光；當0=兀/4時，同時A=A獲得圓偏振光；當9為其他值時，經(jīng)過九/4波片后為橢圓偏振光.圖3-12-43橢圓偏振光的測量橢圓偏振光的測量包括長、短軸之比及長、短軸方位的測定.如圖3-29所示，當檢偏器方位與橢圓長軸的夾角為9時，則透射光強為:e。3-

9、12-5)I=A2cos29+A2sin2912圖3-12-5I=I=A2max13-12-6)當9=(2K+1)中時1-1min一A2(3-12-7)則橢圓長短軸之比為_1 =max(3_12_8)a2Vi.2 min橢圓長軸的方位即為I的方位.max【實驗內(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P1，旋轉(zhuǎn)P1，觀察光屏上光斑強度的變化情況；單色自然光源起偏罌丹*卻波片檢偏器巴光屏圖3-12-6(2) 在起偏器P后面再插入檢偏器P,固定P方位，旋轉(zhuǎn)P,旋轉(zhuǎn)360°觀察光屏上光斑強度的變化情況，并將光屏上最強和最弱時的對應(yīng)

10、旋轉(zhuǎn)角度記錄到表3-12-1中；(3) 以光功率計代替光屏接收P出射的光束，旋轉(zhuǎn)P,每轉(zhuǎn)過10°記錄一次相應(yīng)的光功率值，共轉(zhuǎn)180°，將相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)記錄到表3-12-2中，且利用實驗數(shù)據(jù)在坐標紙上作出ICOS20關(guān)系曲線，看其是否與馬呂斯定律相一致.2.觀測橢圓偏振光和圓偏振光參照圖3-12-3(b)所示，先使起偏器P和檢偏器P偏振軸垂直(即檢偏器P后的光屏上處于消光狀態(tài))，在起偏器P和檢偏器P之間插入九/4波片(如圖3-12-6)，轉(zhuǎn)動波片使P2后的光屏上仍處于消光狀態(tài)(使九/4波片光軸與起偏器匚透光軸方向平行)用光功率計取代光屏.(2) 將起偏器P轉(zhuǎn)過20°

11、調(diào)節(jié)光功率計的位置盡可能使得P透射出的偏振光全部進12入光功率計的接受范圍轉(zhuǎn)動檢偏器P2找出功率最大的位置，并記下相應(yīng)光功率值重復測量3次，求平均值.(3) 轉(zhuǎn)動P,使P的光軸與九/4波片的光軸的夾角依次為30°45°、60°、75°、90°值，在取上述每一個角度時，都將檢偏器P轉(zhuǎn)動一周，觀察從P透出光的強度變化.【注意事項】(1) 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；(2) 不要讓激光束直接照射或反射到人眼內(nèi).【實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果處理】表3-12-表3-12-2光屏上光斑強度檢偏器P2旋轉(zhuǎn)角度40°180°由于

12、在測量位置以及實驗條件不變時，光強度與光功率計的測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)便可用來驗證馬呂斯定律I=IC0S200.【思考與討論題】（1）如何應(yīng)用光的偏振現(xiàn)象說明光的橫波特性？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，反射光束是什么偏振光？它的振動是在平行于入射面內(nèi)還是在垂直于入射面內(nèi)？（3）九/4波片與P的夾角為何值時產(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，另一片的2個表面旋轉(zhuǎn)180°，會有什么現(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有什么現(xiàn)象？怎樣解釋？（6）波

13、片的厚度與光源的波長什么關(guān)系？【附錄】光學實驗中常用光源能夠發(fā)光的物體統(tǒng)稱為光源.實驗室中常用的是將電能轉(zhuǎn)換為光能的光源電光源.常見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、讀數(shù)顯微鏡等.2氣體放電光源實驗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蒸汽在強電場中發(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)出波長為589.0nm和589.6nm的兩種單色黃光最強，可達85%，而其他幾種波長為818.0nm

14、和819.1nm等的光僅有15%.所以，在一般應(yīng)用時取589.0nm和589.6nm的平均值589.3nm作為鈉光燈的波長值.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,正常點燃時發(fā)出青紫色光，其中主要包括7種可見的單色光，它們的波長分別是612.35nm（紅）、579.07nm和576.96nm（黃）、546.07nm（綠）、491.60nm（藍綠）、435.84nm（藍紫）、404.66nm（紫）.使用鈉燈和汞燈時，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燃后一般要預熱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60年代誕生的新光源.激光（Laser）是“受激輻射光放大”的簡稱.它具有發(fā)光強度大、方向性好、單色性強和相干性好等優(yōu)點.激光器是產(chǎn)生激光的裝置，它的種類很多，如氦氖激光器、氬離子激光器、二氧化碳激光器、紅寶石激光器等.實驗室中常用的激光器是氦氖（H-N、激光器.它由激光工作的氦氖混合氣體、激勵裝置和光學ee諧振腔3部分組成氦氖激光器發(fā)出的光波波長為632.8nm，輸出功率在幾毫瓦到十幾毫瓦之間，多數(shù)氦氖激光管的管長為2