大學物理實驗《偏振光的觀測與研究》

實驗3.8偏振光的觀測與研究偏振光的理論意義和價值是，證明了光是橫波。同時，偏振光在很多技術領域得到了廣泛的應用。如偏振現(xiàn)象應用在攝影技術中可大大減小反射光的影響，利用電光效應制作電光開關等?！緦嶒災康摹?．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．掌握偏振光的產生和檢驗方法。3．觀察布儒斯特角及測定玻璃折射率。4．觀測圓偏振光和橢圓偏振光?！緦嶒瀮x器】光具座、激光器、光點檢流計、起偏器、檢偏器、1/4波片、1/2波片、光電轉換裝置、觀測布儒斯特角裝置、帶小孔光屏、鈉光燈。【實驗原理】按照光的電磁理論，光波就是電磁波，電磁波是橫波，所以光波也是橫波。在大多數(shù)情況下，電磁輻射同物質相互作用時，起主要作用的是電場，因此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。圖3-圖3-26自然光1．獲得偏振光的方法（1）非金屬鏡面的反射，當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，反射光與折射光都將成為部分偏振光。當入射角增大到某一特定值φ0時，鏡面反射光成為完全偏振光，其振動面垂直于射面，這時入射角φ稱為布儒斯特角，也稱起偏振角，由布儒斯特定律得： （3-51）其中，n為折射率。（2）多層玻璃片的折射，當自然光以布儒斯特角入射到疊在一起的多層平行玻璃片上時，經過多次反射后透過的光就近似于線偏振光，其振動在入射面內。（3）晶體雙折射產生的尋常光（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。2．偏振片、波片及其作用（1）偏振片偏振片是利用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，由于在應用時起的作用不同而叫法不同，用來產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，強度為I0的線偏振光通過檢偏器后，透射光的強度為： （3-52）式中為入射偏振光的偏振方向與檢偏器偏振化方向之間的夾角，顯然當以光線傳播方向為軸轉動檢偏器時，透射光強度I發(fā)生周期性變化。當=0時，透射光強最大；當=90時，透射光強為極小值（消光狀態(tài)）；當0<<90時，透射光強介于最大和最小之間。自然光通過起偏器后可變?yōu)榫€偏振光，線偏振光振動方向與起偏器的透光軸方向一致。因此，如果檢偏器的透光軸與起偏器的透光軸平行，則在檢偏器后面可看到一定光強，如果二者垂直時，則無光透過，如圖3-27所示。其中（a）圖為起偏器透光軸P1與檢偏器透光軸P2平行的情況；（b）圖為起偏器透光軸P1與檢偏器透光軸P2垂直的情況。此時透射光強為零，此種現(xiàn)象稱為消光。在實驗中要經常利用“消光”現(xiàn)象來判斷光的偏振狀態(tài)。圖3-27偏振光（2）波片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，它能使晶片內的o光和e光通過晶片后產生附加相位差。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 （3-53）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（通過晶片后o光和e光的振動）：從兩式中消去t，經三角運算后得到全振動的方程式為： （3-54）由此式可知；①當=K（K

=

0，1.2.……）時，為線偏振光。②當（K

=

0，1.2.……）時，為正橢圓偏振光。在Ao

=

Ae時，為圓偏振光。③當為其他值時，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o光和e光產生相位差=(2K

+

1)（相當于光程差為/2的奇數(shù)倍）的晶片，稱為對應于該單色光的二分之一波片（/2波片），與此相似，能使o光和e光產生相位（相當于光程差為λ/4的奇數(shù)倍）的晶片，稱為四分之一波片（/4波片）。本實驗中所用波片（/4）是對6328A（He-Ne激光）而言的。如圖3-28所示，當振幅為A的線偏振光垂直入射到/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Asin和Acos，所以通過/4波片后合成的偏振狀態(tài)也隨角度的變化而不同。①當=0時，獲得振動方向平行于光軸的線偏振光。②當=/2時，獲得振動方向垂直于光軸的線偏振光。③當=/4時，Ae

=

Ao獲得圓偏振光。④當為其他值時，經過/4波片后為橢圓偏振光。3．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時，則透射光強為：圖3-28圖3-29當=時當時則橢圓長短軸之比為 （3-55）橢圓長軸的方位即為的方位?！緦嶒瀮热菖c步驟】1．起偏與檢偏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P1，觀察光屏上光斑強度的變化情況。（2）在起偏器P1后面再插入檢偏器P2，固定P1方位，旋轉P2，旋轉360，觀察光屏上光斑強度的變化情況。有幾個消光方位？（3）以硅光電池代替光屏接收P2出射的光束，旋轉P2，每轉過10記錄一次相應的光電流值，共轉180，在坐標紙上作出I0～cos2關系曲線。2．觀察布儒斯特角及測定玻璃折射率（1）在起偏器P1后插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。調節(jié)玻璃平板，使反射光束與入射光束重合，記下初始角。（2）一面轉動玻璃平板，一面同時轉動起偏器P1，使其透過方向在入射面內。反復調節(jié)直到反射光消失為止，此時記下玻璃平板的角度，重復測量三次，求平均值，算出布儒斯特角。（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，旋轉P2，觀察反射光的偏振狀態(tài)。3．觀測橢圓偏振光和圓偏振光（1）如圖3-30所示，先使起偏器P1和檢偏器P2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/4波片，轉動波片使P2后的光屏上仍處于消光狀態(tài)。用硅光電池（及光點檢流計組成的光電轉換器）取代光屏。圖3-30（2）將起偏器P1轉過20，調節(jié)硅光電池使透過P2的光全部進入硅光電池的接收孔內。轉動檢偏器P2找出最大電流的位置，并記下光電流的數(shù)值。重復測量3次，求平均值。（3）轉動P1，使P1的光軸與/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轉動一周，觀察從P2透出光的強度變化。4．觀察線偏振光通過1/2波片時的現(xiàn)象（在前面實驗的基礎上進行）（1）固定起偏器，轉動檢偏器至消光位置并固定不動。（2）在起偏器與檢偏器之間插入1/2波長片。（3）轉動1/2波長片一周，能看到幾次消光？（4）轉1/2波長片，并在“出光”一側觀察直至出現(xiàn)消光現(xiàn)象。記下此時1/2波長片與檢偏器的角度值。（5）轉動1/2波長片，其角度α

=

15，此時，消光被破壞，在轉動檢偏器至消光位置，再記下此時1/2波長片與檢偏器的角度值。（6）繼續(xù)進行類似的調節(jié)，使得1/2波長片轉過的角度依次為30，45，60，75和90，相應的調節(jié)檢偏器至消光位置，記下此時的角度值。將以上所記角度值填入表3-10中。表3-10 線偏振光通過1/2波片的數(shù)據(jù)記錄1/2波長片轉動檢偏器P的α角度值起始位置角度值轉至消光位置角度值檢偏器轉過的角度值153045607590從上面實驗結果可以得出什么規(guī)律？怎樣解釋這一規(guī)律。【數(shù)據(jù)處理】（1）數(shù)據(jù)表格自擬。（2）在坐標紙上描繪出Ip～cos2關系曲線。（3）求出布儒斯特角，并由公式（3-51）求出平板玻璃的相對折射率。（4）由公式（3-55）求出20°時橢圓偏振光的長、短軸之比，并以理論值為準求出相對誤差。【思考題】1．如何應用光的偏振現(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還是在垂直于入射面內？3．波片與P1的夾角為何值時產生圓偏振光？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．波片的厚度與光源的波長什么關系？附：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和819.1nm等的光僅有15%。所以，在一般應用時取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（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3～4分鐘才能正常工作，熄滅后也需冷卻3～4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（He-Ne）激光器。它由激光工作的氦氖混合氣體、激勵裝置和光學諧振腔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200～300mm，兩端所加高壓是由倍壓整流或開關電源產生，電壓高達1500～8000V，操作時應嚴防觸摸，以免造成觸電事故。由于激光束輸出