实验十一_偏振现象的观察与分析.docVIP

实验十一?偏振现象的观察与分析 光波是电磁波，其电矢量的振动方向垂直于传播方向，是横波．由于普通光源各原子分子发光的随机和无序性，光波电矢量的分布（方向和大小）对传播方向来说是对称的，反应不出横波特点，这种光称为自然光．如果限制了某振动方向的光而使光线的电矢量分布对其传播方向不再对称时，这种光称为偏振光．对于偏振现象的研究在光学发展史中有很重要的地位，光的偏振使人们对光的传播（反射、折射、吸收和散射）规律有了更透彻的认识，本实验将对光偏振的基本性质进行观察、分析和研究． ·实验目的 1. 观察光的偏振现象，掌握产生和检验偏振光的原理和方法，学会确定偏振片的透振方向，验证马吕斯定律； 2．用反射起偏法测量平面玻璃的布儒斯特角，求得玻璃的折射率； 3．了解λ/4波片、λ/2波片的工作原理和作用（任选其中部分内容）； ·实验仪器 光具座，He—Ne激光器，光点检流计，光电转换装置，GPS-Ⅱ 型偏振光实验仪（包括偏振片×2，λ/4波片×2，λ/2波片×2，背面涂黑的玻璃片及刻度支架，小孔光阑，白屏）． 图1 实验仪器（重拍） 偏振片及刻度旋转装置：由直径为2cm的偏振片固定在转盘上制成，转盘上指针的位置不一定是偏振片的透振方向． 波片及刻度旋转装置：由直径为2cm的波片固定在转盘上制成，转盘上指针的位置不一定是波片的快轴或慢轴的位置． ·实验原理 从自然光获得偏振光的办法有3种，即利用二向色性的材料制作的偏振片；利用晶体的双折射性质做成的偏振棱镜；利用光学各向同性的两介质分界面上的反射和折射．本实验中所用的偏振片是利用二向色性的材料制作的． 一、起偏、检偏与马吕斯定律 将自然光变成偏振光的过程称为起偏，检查偏振光的装置称为检偏．按照马吕斯定律，强度为I0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为： （12-1） 式中I0为入射线偏光的光强，为入射光偏振方向与检偏器透振轴之间的夹角．显然，当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度I将发生周期性变化．当=时，透射光强度最大；当=时，透射光强度最小（消光状态）；当时，透射光强度介于最大值和最小之间．因此，根据透射光强度变化的情况，可以区别光的不同偏振状态． 实验中让入射光共轴依次通过两个偏振片，旋转检偏器，读出不同角下出射光的强度，验证马吕斯定律． 二、布儒斯特定律和反射光的偏振 当自然光在空气中以某角度入射至折射率为n的透明介质表面时，若反射线与折射线垂直，则其反射光为完全的线偏振光，振动方向垂直于入射面；而透射光为部分偏振光．此规律称为布儒斯特定律，入射角称为布儒斯特角，如图11-2所示． （12-2） 实验中可通过用振动方向垂直于入射面的线偏光入射，再用检偏器检查反射光是否消光来确定布儒斯特角，求出玻璃材料的折射率n. 图11-2 布儒斯特定律示意图 三、λ/4波片与λ/2波片 波片是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，其表面平行于光轴．当一束单色平行自然光正入射到波片上时，光在晶体内部便分解为o光与e光．o光电矢量垂直于光轴；eo光和e光的传播方向不变，仍都与表面垂直．但o光在晶体内的速度为，e，即相应的折射率、不同．设晶片的厚度为，则两束光通过晶体后就有位相差 （12-3） （12-4） 式中λ为光波在真空中的波长．的晶片，称为全波片；的称为半波片（λ/2波片）；为λ/4片，上面的k都是任意整数．不论全波片，半波片或λ/4片都是对一定波长而言． 在直角坐标系下，以e光振动方向为横轴，o光振动方向为纵轴，则沿任意方向振动的平行光，正入射到波片的表面后，其振动便按此坐标系分解为e分量和o分量．透过晶片，二者间产生一附加位相差σ，离开晶片时合成光波的偏振性质，决定于σ及入射光的性质． 1.偏振态不变的情形： （1）自然光通过任何波片，仍为自然光； （2）若入射光为线偏振光，其电矢量E平行e轴（或o轴），则任何波长片对它都不起作用，出射光仍为原来的线偏振光． 2.λ/2波片与偏振光 （1）若入射光为线偏振光，且振动方向与晶片光轴成角，则经λ/2玻片出射的光仍为线偏振光，但与光轴成负角．即线偏振光经λ/2片电矢量振动方向转过了2角． （2）若入射光为椭圆偏振光，则经λ/2玻片后，既改变椭圆长（短）轴的取向，也改变椭圆的旋转方向；若入射光为圆偏振光，出射的只是改变了旋转方向的圆偏振光． 3.λ/4波片与偏振光 （1）若入射光为线偏振光，当角为450时，经λ/4波片后的出射光为圆偏振光，其余情况下为椭圆偏振光； （2）若入射光为圆偏振光，则出射光为线偏振光； （3）若入射光为