大学物理实验《偏振光的观测与研究》.doc

实验3.偏振光的观测与研究 根据偏振的概念，如果电矢量的振动只限于某一确定方向的光，称为平面偏振光，亦称线偏振光；如果电矢量随时间作有规律的变化，其末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆（或圆），这样的光称为椭圆偏振光（或圆偏振光）；若电矢量的取向与大小都随时间作无规则变化，各方向的取向率相同，称为自然光，如图3-26所示；若电矢量在某一确定的方向上最强，且各向的电振动无固定相位关系，则称为偏振光。 1．获得偏振光的方法 （1）非金属镜面的反射，当自然光从空气照射在折射率为n的非金属镜面（如玻璃、水等）上，反射光与折射光都将成为部分偏振光。当入射角增大到某一特定值φ0时，镜面反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于射面，这时入射角φ称为布儒斯特角，也称起偏振角，由布儒斯特定律得： （3-51） 其中，n为折射率。 （2）多层玻璃片的折射，当自然光以布儒斯特角入射到叠在一起的多层平行玻璃片上时，经过多次反射后透过的光就近似于线偏振光，其振动在入射面内。 （3）晶体双折射产生的寻常光（o光）和非常光（e光），均为线偏振光。 （4）用偏振片可以得到一定程度的线偏振光。 2．偏振片、波片及其作用 （1）偏振片 偏振片是利用某些有机化合物晶体的二向色性，将其渗入透明塑料薄膜中，经定向拉制而成。它能吸收某一方向振动的光，而透过与此垂直方向振动的光，由于在应用时起的作用不同而叫法不同，用来产生偏振光的偏振片叫做起偏器，用来检验偏振光的偏振片叫做检偏器。 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： （3-52） 式中为入射偏振光的偏振方向与检偏器偏振化方向之间的夹角，显然当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度I发生周期性变化。当=0°时，透射光强最大；当=90°时，透射光强为极小值（消光状态）；当090°时，透射光强介于最大和最小之间。 自然光通过起偏器后可变为线偏振光，线偏振光振动方向与起偏器的透光轴方向一致。因此，如果检偏器的透光轴与起偏器的透光轴平行，则在检偏器后面可看到一定光强，如果二者垂直时，则无光透过，如图所示。其中（a）图为起偏器透光轴P1与检偏器透光轴P2平行的情况；（b）图为起偏器透光轴P1与检偏器透光轴P2垂直的情况。此时透射光强为零，此种现象消光。在实验中要经常利用消光现象来判断光的偏振状态。 图1/2波长片，1/4波长片等，所用的1/2、1/4o光）（e） （3-53） 其中，为入射偏振光在真空中的波长，no和ne分别为晶片对o光e光的折射率，L为晶片的厚度。 我们知道，两个互相垂直的，同频率且有固定相位差的简谐振动，可用下列方程表示（通过晶片后o光和e光的振动）： 从两式中消去t，经三角运算后得到全振动的方程式为： （3-54） 由此式可知； ①当=K（K?=?0） ②当（K?=?）Ao?=?Ae时，为圆偏振光。 ③当为其他值时，为椭圆偏振光。 在某一波长的线偏振光垂直入射于晶片的情况下，能使o光和e光产生相位差= (2K?+?1)（/2的奇数倍）（）o光和e光产生相位（λ/4的奇数倍）（）（/4）（e-Ne激光）/4波片上，振动方向与波片光轴成角时，由于o光和e光的振幅分别为Asin和Acos，所以通过/4波片后合成的偏振状态也随角度的变化而不同。 ① 当=0°时，获得振动方向平行于光轴的线偏振光。 ② 当=/2时，获得振动方向垂直于光轴的线偏振光。 ③ 当=/4时，Ae?=?Ao获得圆偏振光。 ④ 当为其他值时，经过/4波片后为椭圆偏振光。 3．椭圆偏振光的测量 椭圆偏振光的测量包括长、短轴之比及长、短轴方位的测定。如图3-29所示，当检偏器方位与椭圆长轴的夹角为时，则透射光强为： 图3-28 图3-29 当=时 当时 则椭圆长短轴之比为 （3-55） 椭圆长轴的方位即为的方位。 【实验内容与步骤】 1．起偏与检偏鉴别自然光与偏振光 （1）在光源至光屏的光路上插入起偏器P1，旋转P1，观察光屏上光斑强度的变化情况。 （2）在起偏器P1后面再插入检偏器P2，固定P1方位，旋转P2，旋转360°，观察光屏上光斑强度的变化情况。有几个消光方位？ （3）以硅光电池代替光屏接收P2出射的光束，旋转P2，每转过10°记录一次相应的光电流值，共转180°，在坐标纸上作出I0～cos2关系曲线。 2．观察布儒斯特角及测定玻璃折射率 （1）在起偏器P1后插入测布儒斯特角装置，再在P1和装置之间插入一个带小孔的光屏。调节玻璃平板，使反射光束与入射光束重合，记下初始角。 （2）一面转动玻璃平板，一面同时转动起偏