大學物理實驗-光的偏振

專業(yè)學習參考資料專業(yè)學習參考資料實驗光的偏振一、實驗?zāi)康?、觀察光的偏振現(xiàn)象，加深對光的偏振的理解。、了解偏振光的產(chǎn)生及其檢驗方法。、觀測布儒斯特角，測定玻璃折射率。、觀測橢圓偏振光與圓偏振光。、了解波片和波片的用途。二、實驗原理光的偏振狀態(tài)光是電磁波，它是橫波。通常用電矢量表示光波的振動矢量。3）迎著光線著自然光的圖示山）自然光在北路圖中的表示自然光其電矢量在垂直于傳播方向的平面內(nèi)任意取向，各個方向的取向概率相等，所以在相當長的時間里（秒已足夠了），各取向上電矢量的時間平均值是相等的，這樣的光稱為自然■3）迎著光線著自然光的圖示山）自然光在北路圖中的表示圖卯-1自然光平面偏振光電矢量只限于某一確定方向的光，因其電矢量和光線構(gòu)成一個平面而稱其為平面偏振光。如果迎著光線看，電矢量末端的軌跡為一直線，所以平面偏振光也稱為線偏振光，如圖所示。E振動方向平行于把面E振動方向平行于把面E振動方向垂直于紙面迎著光線看線偏振洸（h）線偏振光在光路中的表示圖印H線偏振光迎著光線看線偏振洸（h）線偏振光在光路中的表示圖印H線偏振光⑥迎著光線看部分偏振光（h）部分偏振光在北路中的表示橢圓偏振光迎著光線看，如果電矢量末端的軌跡為一橢圓，這樣的光稱為橢圓偏振光。橢圓偏振光可以由兩個電矢量互相垂直的、有恒定相位差的線偏振光合成得到。圓偏振光迎著光線看，如果電矢量末端的軌跡為一個圓，則這樣的光稱為圓偏振光。圓偏振光可視為長、短軸相等的橢圓偏振光。3）迎著光線看桶圓偏振光（右旋上cb3）迎著光線看桶圓偏振光（右旋上cb5沿工軸傳播的橢圓偏振光（右旋）圖橢圓偏振光布儒斯特定律反射光的偏振與布儒斯特定律如圖所示，光在兩介質(zhì)（如空氣和玻璃片等）界面上，反射光和折射光（透射光）都是部分偏振光。當反射光線與折射光線的夾角恰為°時，反射光為線偏振光，其電矢量振動方向垂直于入射光線與界面法線所決定的平面（入射面）。此時的透射光中包含平行于入射面的偏振光的全部以及垂直于入射面的偏振光的其余部分，所以透射光仍為部分偏振光。由折射定律很容易導出此時的入射角滿足關(guān)系ntan■■2n■、偏振片、起偏和檢偏、馬呂斯定律偏振片由二向色性晶體的選擇吸收所產(chǎn)生的偏振偏振片圖偏振片起偏圖起偏和檢偏圖偏振片有些晶體（如電氣石）、長鏈分子晶體（如高碘硫酸奎寧），對兩個相互垂直振動的電矢量具有不同的吸收本領(lǐng)，這種選擇吸收性稱為二向色性。在兩平板玻璃間，夾一層二向色性很強的物質(zhì)就制成了偏振片。自然光通過偏振片時，一個方向的電矢量幾乎完全通過（該方向稱為偏振片的偏振化方向）而與偏振化方向垂直的電矢量則幾乎被完全吸收，因此透射光就成為線偏振光。根據(jù)這一特性，偏振片既可用來產(chǎn)生偏振光（起偏），也可用于檢驗光的偏振狀態(tài)（檢偏）。馬呂斯定律用強度為I（的線偏振光入射，透過偏振片的光強為I，則有如下關(guān)系0I■ICOS2■■0式稱為馬呂斯定律。是入射光的E矢量振動方向和檢偏器偏振化方向之間的夾角。以入射光線為軸轉(zhuǎn)動偏振片，如果透射光強有變化，且轉(zhuǎn)動到某位置時=則表明入射光為線偏振光，此時=°。波片兩個互相垂直的、同頻率的簡諧振動的合成設(shè)有兩各互相垂直且同頻率的簡諧振?;它們的運動方程分別,.）11V■AcosQt■■）22t合運動是這兩個分運動之和，消去參數(shù)，得到合運動矢量末端運動軌跡方程為美■Q2言"2-1)…2?1)1212式表示的是兩線偏振光，則疊加后一般成為橢圓偏振光。下面討論相位2A■2A式表示的是兩線偏振光，則疊加后一般成為橢圓偏振光。下面討論相位上式表明，一般情況下，合振動矢量末端運動軌跡是橢圓，該橢圓在12的矩形范圍內(nèi)。如果■■■■■差21為幾種特殊值的情況。①當^±±…）時，式變?yōu)?/p>

上■上AATOC\o"1-5"\h\z12■合振動矢量末端運動軌跡是上述矩形的對角線，，與軸的夾角為。這就是說，相互垂直的、同相位的兩線偏振光合成后仍為線偏振光，但E振動有新的取向?！觥?2k■1)Bk②當(±±…)時，式變?yōu)閤y一■■上AA12■式表明，相互垂直的、相位相反的"偏振光合成后也是線偏振光，E振動方向與軸的夾角也是，但在軸的另一側(cè)?！觥?2k■1)■k③當2(±±…)時，式變?yōu)椤?2此時，合振動矢量末端運動軌跡是正立在上述矩形內(nèi)的橢圓。即相互垂直的、相位差是的兩線偏振光合成為橢圓偏振光，橢圓的長半軸和短半軸分別等于兩線偏振光的振幅。④根據(jù)情況③，且A=A=A，則式變?yōu)橐籜2■y2■A2即振幅相等的、

雙折射晶體■/2偏振光，分別稱為e光和。光。它們以一束自然光在入射到某些各向異性晶體上時，能夠被分成振動方向相互垂直的兩即振幅相等的、

雙折射晶體■/2偏振光，分別稱為e光和。光。它們以一束自然光在入射到某些各向異性晶體上時，能夠被分成振動方向相互垂直的兩n的速度、沿不同的方向在晶體內(nèi)傳播，如圖1n所示。這種現(xiàn)象稱為雙折射，這些晶體稱為雙折射晶體，如方解石、石英等。方解石e，稱“負晶體”，石英e0稱“正晶體”。在雙折射晶體內(nèi)有一個被稱為光軸的E矢量振動方向垂直于也不再為零。在選定了晶體之后，對于某一波長的單色光只取決于波片的厚度即E矢量振動方向垂直于也不再為零。在選定了晶體之后，對于某一波長的單色光只取決于波片的厚度即特殊方向。光線在晶體內(nèi)沿光軸傳播時，不發(fā)生雙折射；平行于光軸傳播時，e光和o光沿同一方向傳播不再分離，但傳播速度仍是不同。把雙折射晶體沿光軸切割并磨制成平行平板■^■0。一束線偏振光垂直入射到波片表面，被分解成e光和o光。e光的E矢量振動方向平行于光軸，光軸，入射時它們之間的光程差為零，相位差。因為e光和。光傳播速度不同，當從波片的第二表面出射時，它們之間就有了光程差，相位差光軸，入射時它們之間的光程差為零，相位差■nn式中的是單色光波長，o和e是o光和e光的折射率，為晶片厚度。由于o光、e光的振動方向相互垂直，取e光軸為X方向，沿X軸、y軸的光矢量分別為由于o光、e光的振動方向相互垂直，取e光軸為X方向，沿X軸、y軸的光矢量分別為E和Ey，則有E22EEx_y——x-A2e―x-coslfl■sin2AAeo(27-10)因此，!根據(jù)[.]k.有如下推論:①當②當時，?偏振光;■喙■俏③當時，為線偏振光；/■2.時，為正橢圓偏振光;④當不等于以上各值時，為橢圓偏振光。在空氣中在玻片內(nèi)④當不等于以上各值時，為橢圓偏振光。在空氣中在玻片內(nèi)光軸■/2■/4波片和波片對某一波長為的單色光產(chǎn)生波片中的光和光相位差的晶片稱為該單色光的半波片。對某一波長為的單色光，產(chǎn)生相位差的晶片稱為該單色光的■/4波片。當線偏振光垂直人射到■/4_波片上時，且其振動方向與波片所示，由于光和光的振幅,■■0■■①當光軸方向②當4時，角，如圖■/2■/4波片和波片對某一波長為的單色光產(chǎn)生波片中的光和光相位差的晶片稱為該單色光的半波片。對某一波長為的單色光，產(chǎn)生相位差的晶片稱為該單色光的■/4波片。當線偏振光垂直人射到■/4_波片上時，且其振動方向與波片所示，由于光和光的振幅,■■0■■①當光軸方向②當4時，角，如圖的函數(shù)，所以，合成光的振幅A因角不同而不同。，為線偏振光;，為圓偏振光;偏振片通過■/4波片示意圖③當為其他角度時為橢圓偏振光。表鑒別光的偏振態(tài)光的種類僅使用偏振器，并使其旋轉(zhuǎn)■/4片+偏振片自然光光強不變，不消光」'「口二"十〉”、1.光強不變，不消光圓偏振光6/光強不變，不消/光消光4光強改變，消光，可以鑒定部分偏振光橢圓偏振光光強改變，但不消光光強改變，但不消光光強改變，但不消光消光白光源（）軸旋轉(zhuǎn)二維架另需鈉燈、凸透鏡（f=白光源（）軸旋轉(zhuǎn)二維架另需鈉燈、凸透鏡（f=150mm）、升降調(diào)節(jié)座（SZ-03）3、二維調(diào)節(jié)架（SZ-07）4、可調(diào)狹縫（SZ-27）12、二維平移底座哪45、光學測角臺（SZ-47）6、升降調(diào)節(jié)座（SZ-03）7、黑玻璃鏡、偏振片、■■633nm（）及架、冰洲石及轉(zhuǎn)動架和擴束器、觀察屏等。圖實驗裝置示意圖四、實驗內(nèi)容與步驟起偏與檢偏按圖所示，使白光源燈絲位于透鏡的焦平面上（此時二底座相距），近似平行光束通過狹縫，向光學分度盤中心的黑玻璃鏡入射，并在臺面上顯出指向圓心的光跡。此時轉(zhuǎn)動分度盤，對任意入射角，利用偏振片和軸旋轉(zhuǎn)二維架組成的檢偏器檢驗反射光的偏振態(tài)。利用布儒斯特定律測定玻璃的折射率（）在圖中，當光束以布儒斯特角i入射時，反射的線偏振光可被檢偏器消除（對凡=1.51,1=57）。該入射角需反復仔細校準。因線偏振光的振動面垂直于入射面，按檢偏器消光方位可以定出偏振片的易透射軸。（）測出起偏角i并按（-式計算出玻璃的折射率。（）檢查此時透射光的狀態(tài)。驗證馬呂斯定律如圖所示，使鈉光通過偏振片起偏振，用裝在軸旋轉(zhuǎn)二維架上（對準指標線）的偏振片在轉(zhuǎn)動中檢偏振，分析透射光的光強變化與角度的關(guān)系。27-11驗證馬呂斯定律實驗裝置圖橢圓偏振光的分析/4使激光束通過擴束器（f=4.5mm）或（f=6.5mm）、狹縫和黑玻璃鏡產(chǎn)生線偏振光，在通過波片之后，用裝在軸旋轉(zhuǎn)二維架上的偏振片在旋轉(zhuǎn)中觀察透射光光強變化，是否有兩明兩暗位置（注意與上一項實驗現(xiàn)象有何不同），在暗位置，檢偏器的透振方向即橢圓的短軸方向。圓偏振光的分析/4在透振軸正交的二偏振片之間加入波片，旋轉(zhuǎn)至透射光強恢復為零處，從該位置在轉(zhuǎn)動即可產(chǎn)生圓偏振光。此時若用檢偏器轉(zhuǎn)動檢查，在觀察屏（白屏）上的透射光強應(yīng)是不變的。觀察圓偏振光和橢圓偏振光的具體做法是：按圖調(diào)整偏振片A和B的位置使通過的光消失，然后插入一片波片C（注意使光線盡量穿過元件中心）。以光線為軸，先轉(zhuǎn)動消光，然后使B轉(zhuǎn)觀察現(xiàn)象。再將9從消光位置轉(zhuǎn)過30、45、60、75、90,每次以光線為軸，將B轉(zhuǎn)360觀察現(xiàn)象，將上面幾次實驗的情況記錄在表27-1中。利用冰洲石及可轉(zhuǎn)動支架，可以觀察和分析該晶體的雙折射現(xiàn)象。讓自然光（如鈉光）通過支架上的一個小孔入射冰洲石晶體，用眼睛在適當距離能夠看到光束一分為二；轉(zhuǎn)動支架，又能判別尋常光（光）和非常光（光）。然后用檢偏器確定光和光偏振方向的關(guān)系。五、數(shù)據(jù)記錄與處理將各直接測量值的原始數(shù)據(jù)用列表法表示。要計算玻璃折射率測量的誤差，并寫出最后結(jié)果?！鰊什也表產(chǎn)生圓偏振光和橢圓偏振光的實驗數(shù)據(jù)記錄表tnCL山廿1上1~T+』轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動B時觀察現(xiàn)象經(jīng)%后光的偏振態(tài)簡要理由03045607590六、思考題（一）預習自測題兩偏振片的偏振化方向相互垂直放置，稱之為正交偏振片,光束不能通過正交偏振片?此時稱為消光。在正交偏振片間插人一波片，為什么光可以通過？轉(zhuǎn)動正交偏振片間的波片一周，有幾次消光？根據(jù)這個現(xiàn)象，能否判斷波片光軸與偏振