光的偏振.docx

光的偏振一、实验目的1、观察光的偏振现象，验证马吕斯定律2、了解波片的作用3、了解和掌握偏振光的产生和检测二、实验内容1、偏振光的产生与鉴别2、自然光转化为线偏振光的方法3、加起偏镜产生偏振光4、晶体起偏5、线偏振光转化成圆偏振光6、线偏振光转化成椭圆偏振光7、光的偏振状态的测量8、验证马吕斯定律三、实验原理1、自然光与偏振光麦克斯韦指出光波是一种电磁波，电磁波是横波，即相互垂直的振动矢量电场强度E和磁场强度H均垂直于波传播方向。由于光与物质相互作用过程中反应比较明显的是电矢量E，故此，常用E表征光波振动矢量，简称光矢量。一般光源发射的光波，其光矢量在垂直于传播方向上的各向分布几率相等，这种光就称为自然光。光矢量在垂直于传播方向上有规则变化则体现了光波的偏振特性。如果光矢量方向不变，大小随相位变化，这时在垂直于光波传播方向的平面上光矢量端点轨迹是一直线，则称此光为线偏振光（平面偏振光）。如果其光矢量是随时间作有规律的改变，光矢量的末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹是圆或者椭圆，这样的光相应的被称为圆偏振光或者椭圆偏振光。介于偏振光和自然光之间的还有一种部分偏振光，其光矢量在某一确定方向上最强，亦即有更多的光矢量趋于该方向。任一偏振光都可以用两个振动方向互相垂直，相位有关联的线偏振光来表示。图14-6 线偏振光及图示法2、起偏与检偏马吕斯于1809年就在实验上发现了光的偏振现象，确定了偏振光强度变化规律（即马吕斯定律）。光具有偏振性和光的横波性的发现，在科学上具有极其重要的意义。它不但丰富了光的波动说的内容，而且具有非常重要的应用价值。能将自然光变为偏振光的器件称为起偏器，用于检验偏振光的器件称为检偏器。偏振器允许透过的光矢量方向为其透光轴。当一线偏振光垂直入射于单轴晶体，即e光和o光之主平面重合，若线偏振光之光矢量A与主平面的夹角为θ，如图14-7所示，图中为主平面。偏振光电场的该分量，可以由下式得出：因为光强度随电场的平方而变化，所以透过检偏器的光强就可由下式得出：（14-15）这里，是透过起偏器的光强，是两个偏振器的偏振轴之间的夹角。考虑两种极端的情况：如果等于零，检偏器与起偏器光轴平行，的值等于1，则透过检偏器的光强等于透过起偏器的光强度。这种情况下，透射光的强度达到最大值。如果，检偏器和起偏器的光轴垂直，的值等于零，则没有光通过第二个偏振片。这种情况下光的强度达到最小值。根据透射光强度变化的情况，可以区别光的不同偏振状态。对偏振光检验的方法如表14-5所示。3、波片波片是由双折射晶体制成的平板状光学元件，其厚度为d且光轴平行于表面，也称位相延迟器。如图14-9所示，光轴为方向，有一平面偏振光垂直入射，光矢量A向上，与光轴夹角为θ。则入射光在晶片表面即分解为e光和o光，均沿原方向传播。但在晶片中，其传播速度是不同的。经过厚度为d的路程后，两束光的位相差为其中λ为真空中的波长，对于确定的双折射晶体，ne，no已确定，其位相差δ随晶片厚度d而变化。若none(负晶体)，则δ0，表示e光超前；若none(正晶体)，则δ0，表示o光超前。调节厚度d，可以做成四分之一波片(简称λ/4波片)，二分之一波片(简称λ/2波片)和全波片，其条件分别为：表14-5偏振光的检验第一步令入射光通过偏振片I，改变偏振片I的透振方向 Pl，观察透射光强度的变化观察到的现象有消光强度无变化强度有变化，但无消光结论线偏振自然光或圆偏振光部分偏振光或椭圆偏振光第二步a．令入射光依次通过λ/4片和偏振片Ⅱ，改变偏振片Ⅱ的透振方向P2，观察透射光的强度变化。b．同a，只是λ/4片的光轴方向必须与第一步中偏振片I产生的强度极大或极小的透振方向重合。观察到的现象有消光无消光有消光无消光结论圆偏振光自然光椭圆偏振光部分偏振光注：表中区分部分偏振光和椭圆偏振光，自然光和圆偏振光的方法是根据部分偏振光、自然光经波晶片分解的两个垂直振动Eo和Ee之间无固定位相差，而椭圆偏振光和圆偏振光分解的两个互相垂直振动之间有固定位相差的差别，利用表中第二步将它们区分开的。四、注意事项1、不要用肉眼直视激光器输出光，防止造成伤害。2、仪器放置处不可长时间受阳光照射。3、激光器发出的光束应平行于工作平台的工作面。4、光束应通过放入光路中（偏振片、波片、接收器等）的部件的中心，保证光束垂直入射到接收器上。5、实验中，若偏振片旋转 360°过程中出现二极大值不相等，微微转动偏振片的支架，改变入射光的入射角，即可获得满意的效果。6、注意，在插拔线时，先关掉电源开关。五、实验步骤1 自然光转化为线偏振光的方法当自然光在两种媒质的界面上反射或折射时，入射角达到一定的特定值时，反射光为线偏振光，其振动面垂直于入射面，称布儒斯特定律，对应的入射角称为布儒斯特角满足以下公式tgθ=n2/n1（14-1