实验七偏振现象的观测与分析.docVIP

实验七 偏振现象的观测与分析 实验目的 1 观察光的偏振现象，加深对偏振光的了解； 2 掌握产生和检验偏振光的原理和方法。 实验仪器 氦氖激光器、偏振片（2片）、半波片、光屏、凸透镜 实验原理 1 能使自然光变成偏振光的装置或器件，称起偏器；用来检验偏振光的装置或器件，称检偏器。按光的振动状态不同，可分为自然光，线偏振光，部分偏振光，圆偏振光和椭圆偏振光。沿同一方向传播的两列频率相同的线偏振光，如果他们的振动方向垂直且具有固定的相位差ΔΦ，当ΔΦ＝kπ （k＝0，±1，…）合成光矢量末端的轨迹是一条直线，称为线偏振光，当ΔΦ＝（2k＋1）π/2 ，且振幅相等时，合成光矢量末端的轨迹是圆，称为圆偏振光，其它情况当 ΔΦ≠kπ和ΔΦ≠（2k＋1）π/2 时则为椭圆偏振光。如图1所示。 （其中点表示垂直于纸面振动的光，直线为平行于纸面振动的光） 2 偏振片：对某一方向的光有强烈的吸收，而对与之垂直的光振动则吸收很少，这样的波片称偏振片。因此偏振片基本上只允许某一特定方向的光振动通过，这一方向称之为偏振片的偏振方向。 3 由晶体双折射产生偏振 一束光照射到晶体上会产生双折射现象，出来两束光线，一束o光，一束e光。 O光遵从折射定律，e光不遵从折射定律。 光轴：晶体内存在一个特殊方向，光沿该方向传播时不产生双折射现象。 主平面：由光线和光轴组成的平面。O光的光振动垂直与主平面，e光的光振动在主平面内。 半波片的原理 如图（2）所示，当振幅为A的平面偏振光垂直入射到表面平行光轴的双折射晶片时，若振动方向与晶片光轴的夹角为α，则在晶片表面上o光和e光的振动分别为Asinα 和Acosα，它们的相位相同，进入晶片后，o光和e光虽然沿同一方向传播，但具有不同的速度，因此，经过厚度为d的晶片后，o光和e光之间将产生相差δ。而且有： 式中λ表示光在真空中的波长，no和ne分别为晶体中o光和e光的折射率。若晶片的厚度使产生的相差δ＝（2k＋1）π，k＝0，1，2，…，这样的晶片称为半波片。 实验步骤 固定N1转动N2，观察白屏上出现的现象； 调节N1和N2正交，在N1, N2间平行放置半波片，以光线方向为轴将半波片转360度，记录出现消光的次数和相对N2的位置； 使N1, N2正交，半波片的光轴和N1成α(10o或15o)角，转动N2使之再次消光，记录N2的位置，改变α角，每次增加10o或15o，同上测量，直至＝90o； 记录以上步骤中所观察的现象。 问题与讨论 起偏器和检偏器是不同的器件吗？ 半波片和半波带有什么区别？ 波片，原理是双折射，作用是旋转入射偏振光的偏振方向。 入射到波片上的光如果与波片光轴夹角为θ，那么出射光相对入射光旋转2θ。 因此如果光轴和起偏器的偏振轴平行，过了起偏器，偏振方向就是光轴方向，透过的光偏振不改变（θ=0，那么2θ=0） 所以由于光轴和起偏器的偏振轴平行，这里半波片等于没起作用。 光的偏振实验中，如果在一组相互正交的偏振片之间插入一块半波片，使其光轴和起偏器的偏振轴平行，则透过检偏器的光斑还是暗的。因为经过起偏器后的线偏振光的偏振方向与波片光轴平行，与波片光轴垂直方向没有分量，此时不发生双折射效应，经过波片后仍然是原方向振动的线偏振光，所以消光。 将检偏器旋转90度后，光斑的亮暗有变化，变亮，因为经过波片后仍然是原方向振动的线偏振光，检偏器旋转90度后正好与线偏振光振动方向一致。 这个问题的关键在于波片的光轴和起偏器偏振轴平行，线偏振光经过后不改变偏振方向。我们知道线偏振光经过1/2波片偏振方向是要关于光轴（或者快轴，或者慢轴）对称的。当线偏振光偏振方向平行或者垂直与快轴或者慢轴时，波片不起改变偏振态的作用，不仅1/2波片如此，其它波片也这样。 光的偏振是指光的振动方向不变，或电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆的现象.光的偏振最早是牛顿在1704～1706年间引入光学的；光的偏振这一术语是马吕斯在1809年首先提出的，并在实验室发现了光的偏振现象;麦克斯韦在1865~1873年间建立了光的电磁理论,从本质上说明了光的偏振现象 .按电磁波理论,光是横波，它的振动方向和光的传播方向垂直。实际中最常见的光的偏振态大体为五种，即自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏娠光和椭圆偏振光。自然光是各方向的振幅相同的光，对自然光而言，它的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内可取所有可能的方向，没有一个方向占有优势.若把所有方向的光振动都分解到相互垂直的两个方向上，则在这两个方向上的振动能量和振幅都相等.线偏振光是在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿一个固定方向振动。起偏器是将非偏振光变成线