偏振光實驗的報告

偏振光實驗的報告偏振光是物理光學(xué)的重要內(nèi)容之一，偏振光的應(yīng)用已遍及科研生產(chǎn)、工程設(shè)計和國防建設(shè)等部門。但是，目前在全國各高校的物理實驗中，開設(shè)偏振光實驗的卻為數(shù)不多，其重要原因是缺乏比較理想的偏振光實驗儀器，下面介紹一個在光具座上做偏振光實驗的儀器。一、實驗儀器設(shè)備介紹1．起偏器

2．帶小孔光屏3．觀測布儒斯特角裝置

4．1/4波片及轉(zhuǎn)動裝置5．檢偏器6．光電轉(zhuǎn)換裝置

二、實驗觀測的內(nèi)容和指標(biāo)1．起偏與檢偏，鑒別自然光與偏振光根據(jù)馬呂斯定律，定量觀測光電流I（光強(qiáng)）隨檢偏器轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系，并求出

關(guān)系曲線。2．觀測布儒斯特角及玻璃的相對折射率θ根據(jù)布儒斯特定律tgφ=n，可定量觀測玻璃的布儒斯特角φ0及相對折射n。3．觀測橢圓偏振光與圓偏振光根據(jù)線偏振光通過波片后，o光和e光產(chǎn)生相位差的原理，可定量觀察橢圓偏振光、園偏振光。4．可鑒別橢圓偏振光與部分偏振光，圓偏振光與自然光。三、在光具座上開設(shè)偏振光實驗的優(yōu)越性1．常規(guī)的偏振光實驗一般在“分光計”上進(jìn)行，而且只可定量觀測布儒斯特角，作為一個實驗可測量的內(nèi)容太少；在光具座上利用上述裝置可定量觀測的實驗內(nèi)容大為擴(kuò)展和豐富，因此具有多功能特點。2．用“分光計”觀測視場小，只限一個人進(jìn)行，直觀性差，在光具座上做偏振光實驗，視場不受限制，直觀性強(qiáng)，不局限于一人觀測，因此有演示實驗的特點。3．在“光具座”上開設(shè)實驗的項目通常比“分光計”少，而光具座又不便于收藏，在光具座上增設(shè)偏振光實驗，不僅可以解決在分光計上做實驗過分集中的矛盾，而且提高了光具座的利用率，同時也填補(bǔ)了不少院校缺少偏振光實驗的空白。4．利用光具座開設(shè)偏振光實驗，需要增填的儀器設(shè)備不多，而且花錢也少，符合投資少，收效大的原則。在光具座上開設(shè)偏振光實驗，已在教學(xué)中投入使用，實踐證明是比較理想的偏振光實驗儀。偏振光的觀測與研究一、目的1．觀察光的偏振現(xiàn)象，加深對偏振光基本概念的理解。2．了解偏振光的產(chǎn)生和檢驗方法。3．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。5．學(xué)習(xí)如何確定偏振片的光軸方向。6．學(xué)習(xí)如何確定波片的光軸方向。二、儀器光具座、激光器（以上由實驗室自備，我廠亦可代配）、偏振片、1/4波片、光電轉(zhuǎn)換裝置、觀測布斯特角裝置，白屏、光欄。三、原理根據(jù)光的電磁理論知識，光波是電磁波，電磁波是橫波。所以光波也是橫波，因為在大多數(shù)情況下，電磁輻射同物質(zhì)作用時，起主要作用的是電場，所以常以電矢量作為光波的振動矢量。其振動方向相對于傳播方向的一種空間取向稱為偏振，光的這種偏振現(xiàn)象是橫波的特征。根據(jù)偏振的概念，如果電矢量的振動只限于某一確定方向的光，稱為平面偏振光，亦稱線偏振光；如果電矢量隨時間作有規(guī)律的變化，其末端在垂直于傳播方向的平面上軌跡呈橢圓（或圓），這樣的光稱為橢圓偏振光（或圓偏振光）；若電矢量的取向與大小都隨時間作無規(guī)則變化，各方向的取向率相同，稱為自然光；若電矢量在某一確定的方向上最強(qiáng)，且各向的電振動無固定相位關(guān)系，則稱為部分偏振光。偏振光的應(yīng)用遍及于工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、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。（一）如何獲取偏振光1．非金屬鏡面的反射，當(dāng)自然光從空氣照射在折射率為n的非金屬鏡面（如玻璃、水等）上，反射光與透射光都將成為部分偏振光。當(dāng)入射角增大到某一特定值φ時，鏡面反射光成為完全偏振光，其振動面垂直于入射面，這時入射角φ0稱為布儒斯特角，也稱起偏振角，由布儒斯特定律得：tgφ0=n

（1）其中，n為折射率。2．當(dāng)自然光以布儒斯特角入射到迭在一起的多層平行玻璃片上時，經(jīng)過多次折射后透過的光就近似于線偏振光，其振動在入射面內(nèi)。如果用偏振片對反射光及透射光加以檢驗，就可以確定偏振片的光軸方向。3．晶體雙折射產(chǎn)生的尋常光（o光）和非常光（e光），均為線偏振光。4．用偏振片可以得到一定程度的線偏振光。（二）偏振片、波片作用1．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)用時起的作用不同而叫法不同，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。按照馬呂斯定律，強(qiáng)度為I0的線偏振光通過檢偏器后，透射光的強(qiáng)度為：I=I0cos2θ

（2）式中θ為入射偏振光偏振方向與檢偏器振軸之間的夾角，顯然當(dāng)以光線傳播方向為軸轉(zhuǎn)動檢偏器時，透射光強(qiáng)度I發(fā)生周期性變化。當(dāng)θ=0°時，透射光強(qiáng)最大；當(dāng)θ=90°時，透射光強(qiáng)為極小值（消光狀態(tài)）；當(dāng)0°<θ<90°時，透射光強(qiáng)介于最大和最小值之間。2．波片當(dāng)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，則尋常光（o光）和非常光（e光）沿同一方面前進(jìn)，但傳播的速度不同。這兩種偏振光通過晶片后，它們的相位差φ為：其中，λ為入射偏振光在真空中的波長，n0和ne分別為晶片對o光e光的折射率，L為晶片的厚度。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（如通過晶片后o光和e光的振動）：從兩式中消去t，經(jīng)三角運算后得到全振動的方程式為：

由此式可知：（1）當(dāng)φ=2kπ和φ=（2k+1）π（k=0、1、2、……）時，為線偏振光。（2）當(dāng)φ=（k+）π（k=0、1、2、……）時，為正橢圓偏振光。在AO=Ae時，為圓偏振光。（3）當(dāng)φ為其它值時，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o光和e光產(chǎn)生相位差φ=（2k+1）π（相當(dāng)于光程差為λ/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（λ/2波片），與此相似，能使o光和e光產(chǎn)生相位φ=（2k+1/2）π（相當(dāng)于光程差為λ/4的奇數(shù)倍）的晶片,稱為四分之一波片（λ/4波片）。本實驗中所用波片（λ/4）是對6328（He-Ne激光）而言的。如圖1所示，當(dāng)振幅為A的線偏振光垂直入射到λ/4波片上，振動方向與波片光軸成θ角時，由于o光和e光的振幅分別為Asinθ和Acosθ，所以通過λ/4波片后合成的偏振狀態(tài)也隨角度θ的變化而不同。（1）當(dāng)θ=0時，A0=0，獲得振動方向平行于光軸的線偏振光。（2）當(dāng)θ=π/2時，Ae=0，獲得振動方向垂直于光軸的線偏振光。（3）當(dāng)θ=π/4時，Ae=Ao，獲得圓偏振光。（4）當(dāng)θ為其它值時，經(jīng)過λ/4波片后為橢圓偏振光。（三）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。當(dāng)檢偏器方位與橢圓長軸的夾角為φ時,則透射光強(qiáng)為:當(dāng)φ=kπ時,

當(dāng)φ=（2k+1）時,

k=0,1,2,3,……則橢圓長短軸之比為橢圓長軸的方位即為Imax的方位。四、偏振光的檢驗前面曾介紹過5種偏振狀況的光，即線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光、自然光（非偏振光）和部分偏振光，我們現(xiàn)在說明，利用偏振片和λ/4波片可將5種光完全區(qū)分開來。使用一塊偏振片就可以將線偏振光從其它4種光中挑選出來，這是因為5種光分別通過偏振片時，在轉(zhuǎn)動偏振片情況下，惟有線偏振光有消光位置（若是理想的偏振片，消光位置即為全暗的位置），其它4種光無消光位置。圓偏振光和自然光分別通過偏振片時，在轉(zhuǎn)動偏振片情況下，二者出射的強(qiáng)度是等強(qiáng)度，而無法區(qū)分它們。橢圓偏振光和部分偏振光分別通過偏振片時，在轉(zhuǎn)動偏振片情況下，二者出射的強(qiáng)度時強(qiáng)時弱，也無法區(qū)分它們。若將偏振片和λ/4片聯(lián)合起來使用，則可區(qū)分。利用圖2的裝置，可將圓偏振光和自然光區(qū)分開來。若入射光束是圓偏振光，經(jīng)過λ/4片后成為一線偏振光，此線偏振光再入射至偏振片，在轉(zhuǎn)動偏振片情況下，可以觀察到它的出射光強(qiáng)度是變化的，且存在消光位置。若入射光是自然光，經(jīng)過λ/4后依然是自然光，再入射至偏振片，在轉(zhuǎn)動偏振片情況下，出射光的強(qiáng)度是不變的，無消光位置。要區(qū)分橢圓偏振光和部分偏振光，步驟要稍為復(fù)雜些，可分以下三個步驟：（1）首先要定出λ/4片的光軸方向（或與光軸垂直方向），用圖3的裝置可達(dá)到此目的。令起偏器和檢偏器的透光方向相互平行，然后在它們中間插入λ/4片并轉(zhuǎn)動，在檢片器后觀察到最大光強(qiáng)時停止λ/4片轉(zhuǎn)動，此時λ/4表面上與起偏器和檢片器透光方向平行的方向即為它的光軸方向或與光軸垂直的方向。（2）用偏振片分別定出橢圓偏振光主軸方向（例如光強(qiáng)最大方向，即為長軸方向）和部分偏振光的光強(qiáng)最大值方向。（3）令橢圓偏振光和部分偏振光分別通過λ/4片，并使它們的光強(qiáng)最大方向和λ/4片的光軸方向（或垂直光軸方向）平行，然后通過一檢偏器，這樣橢圓偏振光經(jīng)過λ/4后成為一線偏振光，而部分偏振光通過λ/4片后依然為部分偏振光，再通過檢偏器，原來的橢圓偏振光有消光位置，而部分偏振光無消光位置，于是將兩者區(qū)分開來。五、實驗內(nèi)容及步驟（一）鑒別自然光與偏振光1．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(qiáng)度的變化情況。2．在起偏器P1后面再插入檢偏器P2。。固定P1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。有幾個消光方式？3．以硅光電池代替光屏接收P2出射的光束，旋轉(zhuǎn)P2，，每轉(zhuǎn)過10°記錄一次相應(yīng)的光電流值，共轉(zhuǎn)180°，在坐標(biāo)紙上作出I=I0~cos2θ關(guān)系曲線。注意事項：（1）硅光電池的輸出線接到±50μA表的兩接線柱上，當(dāng)P1、P2光軸平行時光強(qiáng)最大，需調(diào)節(jié)兩接線柱中間的電位器旋鈕，使表指針滿偏即可，防止電流過大損壞表頭。（2）為了避免實測I值與理論值之間的誤差，其主要是要求He–Ne激光器的輸出功率要比較穩(wěn)定，測量時間盡量短。（3）如果實驗室有低內(nèi)阻的光點檢流計，可以直接替換±50μA表頭，提高測量精度。（一）觀察布儒斯特角及測定玻璃折射率1．在起偏器P1后，放入測布儒斯特角裝置，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，使反射光束與入射光束重合。記下初始角φ1。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φ2，重復(fù)測量三次，求平均值。算出布儒斯特角φ0=φ2-φ1。3．把玻璃平板固定在布儒斯特角的位置上，去掉起偏器P1，在反射光束中插入檢偏器P2，轉(zhuǎn)P2，觀察反射光的偏振狀態(tài)，確定偏振片的光軸方向。（三）觀測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λ/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，λ/4波片的光軸方向平行與起偏器P1的光軸方向。用硅光電池（及光點檢流計組成的光電轉(zhuǎn)換器）取代光屏。2．將起偏器P1轉(zhuǎn)過20°角，調(diào)節(jié)硅光電池使透過P2的光全部進(jìn)入硅光電池的接收孔內(nèi)。再轉(zhuǎn)動檢偏器P2，找出最小電流的位置，并計下光電流的數(shù)值，重復(fù)三次，求平均值。3．轉(zhuǎn)動λ/4，使P1的光軸與λ/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P2轉(zhuǎn)動一周，觀察從P2透出