实验28光的极化.doc

实验28 光的偏振 1809年，法国军事工程师马吕斯发现了光的偏振现象。阿喇果和费涅耳让一束光投射到方解石晶体上，产生出两条分离的光束。这两条光束应该是相干的，却只产生均匀照度，而不产生干涉条纹。杨氏由此推断，光一定是横波，这两束光的振动面一定是相互垂直的。1817年杨氏提出了光的偏振和光是横波的概念。光的电磁理论建立后，光的横波性又得到了理论上的证明。 光的偏振在光学计量、晶体性质的研究和实验应力分析等方面有广泛的应用。 一、实验目的 1．观察光的偏振现象，加深理解偏振的基本概念。 2．了解偏振光的产生和检验方法。 3．观测布儒斯特角及测定玻璃折射率。 4．观测椭圆偏振光与圆偏振光。 5．了解1/2波片和1/4波片的用途。 二、实验原理 1. 光的偏振状态 光是电磁波，它是横波。通常用电矢量E表示光波的振动矢量。 (1) 自然光：其电矢量在垂直于传播方向的平面内任意取向，各个方向的取向概率相等，所以在相当长的时间里（10-5秒已足够了），各取向上电矢量的时间平均值是相等的。这样的光称为自然光，如图28-l。 (2) 平面偏振光：电矢量只限于某一确定方向的光，因其电矢量和光线构成一个平面而称为平面偏振光。如果迎着光线看．电矢量末端的轨迹为一直线，所以平面偏振光也称为线偏振光，如图28-2。 (3) 部分偏振光：电矢量在某一确定方向上较强．而在和它正交的方向上较弱，这种光称为部分偏振光，如图28-3。部分偏振光可以看成是线偏振光和自然光的混合。 (4) 椭圆偏振光：迎着光线看，如果电矢量末端的轨迹为一椭圆，这样的光称为椭圆偏振光。椭圆偏振光可以由两个电矢量互相垂直的、有恒定相位差的线偏振光合成得到。 (5) 圆偏振光：迎着光线看，如果电矢量末端的轨迹为一个圆，则这样的光称为圆偏振光。圆偏振光可视为长、短轴相等的椭圆偏振光。 2. 玻璃片与玻璃片堆 (1) 反射光的偏振与布儒斯特定律 如图28-5所示，光在两介质（如空气和玻璃片等）界面上，反射光和折射光（透射光）都是部分偏振光。当反射光线与折射光线的夹角恰为90°时，反射光为线偏振光，其电矢量振动方向垂直于入射光线与法线所决定的平面（入射面）。此时的透射光中包含平行于入射面的偏振光的全部以及垂直于入射面的偏振光的其余部分，所以透射光仍为部分偏振光。由折射定律很容易导出此时的入射角满足关系： (28-1) (28-1)式称为布儒斯特定律，入射角称为布儒斯特角，或称起偏振角。若光从空气入射到玻璃（n约为1.5），起偏振角约56°。 (2) 玻璃片与玻璃片堆 玻璃片是获得线偏振光的器件。 玻璃片堆也是获得线偏振光的器件。 一束自然光以布儒斯特角入射到叠在一起的多层玻璃片上，如图28-6，每经过一次反射，透射光中垂直于入射面的振动就减少一部分，玻璃片数足够多时，最后透射出来的光也是线偏振光，它的振动方向平行于入射面。 问题：使用玻璃片堆和玻璃片产生线偏振光有哪些区别？ 3. 偏振片、起偏和检偏、马吕斯定律 (1) 由二向色性晶体的选择吸收产生偏振 有些晶体（如电气石）、长链分子晶体（如高碘硫酸奎宁），对两个相互垂直振动的电矢量具有不同的吸收本领，这种选择吸收性称为二向色性。在两平板玻璃间，夹一层二向色性很强的物质就制成了偏振片。自然光通过偏振片时，一个方向的电矢量几乎完全通过（该方向称为偏振片的偏振化方向），而与偏振化方向垂直的电矢量则几乎被完全吸收，因此透射光就成为线偏振光。根据这一特性，偏振片既可用来产生偏振光（起偏），也可用于检验光的偏振状态（检偏）。 (2) 马吕斯定律 用强度为的线偏振光入射，透过偏振片的光强为 (28-2) (28-2)式称为马吕斯定律。是入射光的E矢量振动方向和检偏器偏振化方向之间的夹角。以入射光线为轴转动偏振片，如果透射光强有变化，且转动到某位置时＝0，则表明入射光为线偏振光，此时＝90°。 问题：如果入射光为部分偏振光，转动检偏器一周，光强有几次极大值、几次极小值？部分偏振光与线偏振光入射有何区别？自然光入射呢？ 4. 波片 (1) 预备知识1：两个互相垂直的、同频率的简谐振动的合成 两简谐振动的位移方程分别为 (28-3) 合成的运动是两个分运动之和，消去参数，得到轨迹方程 (28-4) 上式表明，一般情况下，合振动矢量末端运动轨迹是椭圆，该椭圆在的矩形范围内。如果(28-3)式是两线偏振光，则叠加后一般成为椭圆偏振光。下面讨论相位差为几种特殊值的情况。 ① （=0, ±1, ±2, …），(4)式变为