光的偏振實(shí)驗(yàn)

1、偏振光的觀測(cè)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(shuō)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(guò) 對(duì)光的偏振性質(zhì)的研究，更深刻地認(rèn)識(shí)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(guó)防等部門(mén)。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(cè)布儒斯特角及測(cè)定玻璃折射率。4觀測(cè)橢圓偏振光和圓偏振光。實(shí)驗(yàn)儀器】光具座、激光器、偏振片、1/4 波片、1/2 波片、

2、光電轉(zhuǎn)換裝置、光點(diǎn)檢流計(jì)、觀測(cè)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(jué)和感光材料的特性上看，引起視覺(jué)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(guò)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。一般說(shuō)，在10-6S內(nèi)各個(gè) 方向電矢量的時(shí)

3、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(zhǎng)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。1(刃)線偏振光 (b)自然光 (c)部務(wù)偏振光(:橢圓偏振光(:橢圓偏振光圖2 光波按偏振的分類2 獲得偏振光的常用方法非金屬鏡面的反射。 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

4、角增大到某一特定值申0時(shí)，鏡面反射光成為完全偏振光，其振動(dòng)面垂直于入射 面，如圖3所示，這時(shí)入射角9 0稱為布儒斯特角，也稱為起偏角。入射光Illrh折射光圖28-3布儒聊特定律圖示均表示電矢量E厲中反射光是振動(dòng)面與入射面亜宣的完全偏掘光，折射光曇部分扁振光由布儒斯特定律得：ntan 申=2 = n0n1其中nl、n2分別為兩種介質(zhì)的折射率，n為相對(duì)折射率。如果自然光從空氣入射到玻璃表面而反射時(shí)，對(duì)于各種不同材料的玻璃，已知其相對(duì)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9 o約在56060。之間。此方法可 用來(lái)測(cè)定物質(zhì)的折射率。多層玻璃片的折射。當(dāng)自然光以布儒斯特角90入

5、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(guò)多次反射后，透出來(lái) 的透射光也就接近于振動(dòng)方向平行于入射面的線偏振光。利用偏振片的二向色性起偏。將非偏振光變成偏振光的過(guò)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(guò)，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。利用晶體的雙折射起偏。自然光通過(guò)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6光)和非常 光(e光)均為線偏振光。o光光

6、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(guò)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(lái)產(chǎn)生偏振光的偏振片叫做起偏器；用來(lái)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I。的線偏振光通過(guò)檢偏器后，透射光的強(qiáng)度為：I

7、 = I。COS2 0式中0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)生周期性變化。當(dāng)0 = 0。時(shí)，透射光強(qiáng)最大;當(dāng)0 =90 0時(shí)，透射光強(qiáng)為極小值（消光狀態(tài)），當(dāng)0 090 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(guò)起偏器與檢偏器的變化。起偏器 檢偏器圖 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(zhǎng),表面平行于自身光軸的單軸晶片時(shí)，會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象, 尋常光（0光）和非常光（e光）沿同一方

8、向前進(jìn)，但傳播的速度不同。這兩種偏振光通過(guò)晶 片后，它們的相位差為：2兀A p =（n 一 n ） L九 。o e其中，九為入射偏振光在真空中的波長(zhǎng)，n和n分別為晶片對(duì)o光和e光的折射率，L oe為晶片的厚度。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(jiǎn)諧振動(dòng)，可用下列方程表示（如通過(guò)晶片后光和光的振動(dòng)）：X = A cos w t eI y = A cos（ w t + p ）0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X2 y22 xy+-cos p = sm 2 pAAeoA 2 A 2 AAeo由此式可知，y=1當(dāng)申=ky=1當(dāng)申=k兀(k = 0,1,2,)時(shí)，A土 X

9、Ae ，為線偏振光。鼻+止=1A2 A2，為正橢圓偏振光。在Ao = Ae時(shí),p = （2k + 1）（k = 0,1,2,）2 當(dāng)2為圓偏振光。3當(dāng)p為其它值時(shí)，為橢圓偏振光。在某一波長(zhǎng)的線偏振光垂直入射到晶片的情況下，能使 o 光和九時(shí)，A2oe 光產(chǎn)生相位差A(yù)p Ap = (2 k + 1)兀波片（ 1/2 波片）九相當(dāng)于光程差為 2 的奇數(shù)倍）的晶片，稱為對(duì)應(yīng)于該單色光的二分之一九1Ap = （2 k + ）n或2波片；與此相似，能使o光和e光產(chǎn)生相位差2（相九當(dāng)于光程差為4 的奇數(shù)倍）的晶片，稱為四分之一波片（1/4波片）或4 波片。本實(shí)驗(yàn)中所 用波片(4 )是對(duì)6328 A ( H

10、e - N 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9 角時(shí)，由于。光和e光的振幅分別為A sin 9和A cos 9，所以通過(guò)1/4波片合成的偏振狀態(tài) 也隨角度9 的變化而不同。圖51當(dāng)9 = 0 0時(shí)，獲得振動(dòng)方向平行于光軸的線偏振光(e光)。2當(dāng)9 =兀/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)9 =兀/2時(shí)，Ae=Ao獲得圓偏振光。4當(dāng)9 為其它值時(shí)，經(jīng)過(guò)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。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】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

11、偏器P,旋轉(zhuǎn)P,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P的方位，旋轉(zhuǎn)P2，旋轉(zhuǎn)360。，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)90。，在坐標(biāo)紙上作出Icos2。關(guān)系曲線。2觀測(cè)布儒斯特及測(cè)定玻璃折射率 在起偏器P1后，插入測(cè)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。記下初始角申1。(2) 一面轉(zhuǎn)動(dòng)玻璃平板，一面同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)起偏器P,使其透過(guò)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申2，重

12、復(fù)測(cè)量三次，求平均值。算出 布儒斯特角申0 = 9 2 7 1。(3)把玻璃平板固定在平儒斯特角的位置上，去掉起偏器P,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)。3觀察橢圓偏振光和圓偏振光(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)9 = 0 0 )。(2)從9 = 0。的位置開(kāi)始，使檢偏器P2轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)可以從屏上光強(qiáng)的變化看到經(jīng)過(guò) 1/4 波片后的光為線偏振光。(3)取0 =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(guò)1/4波片 后的光為線偏振光。其振動(dòng)面與0 = 00時(shí)的振動(dòng)面垂直。(4)取0為除0和90。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(duì)應(yīng)。特別是當(dāng)0 =450 時(shí)， P2 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)屏上光強(qiáng)幾乎不變，這便是圓偏振光對(duì)應(yīng)的狀 態(tài)?！咀⒁馐马?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)P與P2偏振 化方向夾角0光電流的讀數(shù)I (卩A)實(shí)驗(yàn)I/I0理論 I/I0=COS2 0第一次第二次第三次01.00300.75450.506000.259000.00表