实验十二线偏振光特性量测实验.PDF

實 驗 十二 線 偏 振 光 特 性 量 測 實 驗 一、目的 了解光的線偏振特性以及現象。並且區分自然光與線偏振光的差異。 二、原理 光是一種電磁波，一般的自然光線在前進時，電磁場在空間中振動方向 是隨機均勻的在垂直光前進方向的平面上振動。如果光的電磁場振動方向只 發生在某一特定方向，亦即電場與磁場振動方向固定的光稱為偏振光。為方 便起見，定義電場振動方向稱為光的偏振方向。光的偏振行為大致上可以分 為：線偏振 (Linearly polarized) 、圓偏振 (circularlypolarjzed) 及橢圓偏振 (elIiptically polarized) ，在本實驗中主要是以觀察光的線偏振為主。 因為人的肉眼無法分辨偏振光與非偏振光，所以必須以偏振片來檢驗 之，由圖一可以發現當未偏振的自然光通過偏振片 A 時，光振動變成有方 向性的線偏振光。此偏振片 A 將由非偏振光轉變成為線偏振光，因此稱此 偏振片A 為起偏器 (Polarizer) 。偏振片有兩個不對稱的軸，其中一者之光線 容易通過另一者則不容易通過，前者稱之為易通過軸 (axis of easy transmission) ，我們通常所指的偏振片之軸即是這個軸。凡是光波之振動方 向與這個軸垂直時，光將全部被偏振片阻擋。所以通過偏振片 A 的光就產 生了偏振性，而當此光再經過了偏振片B 時，即可以依照偏振片B 的軸與 偏振光的偏振方向來決定光線通過偏振片 B 的情形，所以我們稱第二片偏 振片B 為檢偏器(Analyzer) 。 圖一 光通過兩個線偏振片的情形 (一) 馬呂斯定律 (Malus’s Law) 由於未偏振的光線，在各方向振動的機率相同，所以未偏振的光經過偏 振片後，只容許振動方向與偏振片軸方向平行的光通過，因此光的強度將減 弱為原本的 1/2 。而經過起偏器的偏振光，進入檢偏器後，若偏振光的振動 方向與檢偏器之易通過軸夾 θ 角時，振幅為A 的偏振光通過檢偏器後其振 幅變為 Acosθ，然而光之強度與振幅的平方成正比，所以通過偏振片前後的 光強度關係可以表示為： I I 0 ×cos2 θ ……………………………………… (1) 上式即稱作馬呂斯定律。其中，I0 是入射偏振光的強度，與振幅 A 的平方 成正比，即 I 0 ∝A 2 ；而I 是通過檢偏器後之強度，與振幅 A cosθ 的平 方成正比，即 I 0 ∝A 2 cos2 θ 。 由上面馬呂斯定律可以得知，當夾角θ為0 度時 (θ= 0°) ，所有的偏振 光均可以自檢偏器通過所以強度並不改變 (I = I ) ；但是當夾角為90 度時 0 (θ= 90°) ，可以發現通過檢偏器之光強度為零 (I = 0) ，代表著當起偏器與檢 偏器的軸互相垂直時，光線將無法通過檢偏器。式中的偏振光與檢偏器夾角 θ，也代表著兩個偏振片軸的夾角，所以未偏振光經過了起偏器與檢偏器後， 其強度的變化可以表示為： 1 2 I I 0 cos θ ……………………………………… (2) 2 (二) 反射的偏振化 在 1808 年時，馬呂斯發現了使光線偏振的方式，他發現光經非金屬表 面反射後，反射光可以變成部分的偏振光，同時若逐漸的增加入射角時可以 找到某個特定的角度，使得所有的反射光可以完全的偏振化，此特定的角度 稱之為布魯斯特角 (Brewsters angle, θB ) ，如圖二所示。 由圖二可以得知，布魯斯特最先發現當反射光產生完全偏振時，反射光 與折射光將會互相垂直。利用三角函