光偏振特性研究.docx

光信息技术实验七?光的偏振特性研究?实验7?光的偏振特性研究?光的干涉衍射现象揭示了光的波动性但是还不能说明光波是纵波还是横波。而光的偏振现象清楚地显示其振动方向与传播方向垂直说明光是横波。1808年法国物理学家马吕斯Malus1775—1812研究双折射时发现折射的两束光在两个互相垂直的平面上偏振。此后又有布儒斯特Brewster1781—1868定律和色偏振等一些新发现。 光的偏振有别于光的其它性质人的感觉器官不能感觉偏振的存在。光的偏振使人们对光的传播规律反射、折射、吸收和散射有了新的认识。本实验通过对偏振光的观察、分析和测量加深对光的偏振基本规律的认识和理解。 偏振光的应用很广泛从立体电影、晶体性质研究到光学计量、光弹、薄膜、光通信、实验应力分析等技术领域都有巧妙的应用。 一、实验目的 1. 观察光的偏振现象了解偏振光的产生方法和检验方法。 2. 了解波片的作用和用1/4波片产生椭圆和圆偏振光及其检验方法。 3. 通过布儒斯特角的测定测得玻璃的折射率。 4. 验证马吕斯定律。 二、实验原理 1. 自然光和偏振光 光是一种电磁波电磁波中的电矢量E就是光波的振动矢量称作光矢量。通常光源发出的光波其电矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则的取向。在与传播方向垂直的平面内光矢量可能有各种各样的振动状态被称为光的偏振态。光的振动方向和传播方向所组成的平面称为振动面。按照光矢量振动的不同状态通常把光波分为自然光、部分偏振光、线偏振光平面偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光五种形式。 如果光矢量的方向是任意的且在各方向上光矢量大小的时间平均值是相等的这种光称为自然光。自然光通过介质的反射、折射、吸收和散射后光波的电矢量的振动在某个方向具有相对优势而使其分布对传播方向不再对称。具有这种取向特征的光统称为偏振光。 偏振光可分为部分偏振光、线偏振光平面偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。如果光矢量可以采取任何方向但不同方向的振幅不同某一方向振动的振幅最强而与该方向垂直的方向振动最弱这种光为部分偏振光。如果光矢量的振动限于某一固定方向则这种光称为线偏振光或平面偏振光。如果光矢量的大小和方向随时间作有规律的变化且光矢量的末端在垂直于传播方向的平面内的轨迹是椭圆则称为椭圆偏振光如果是圆则称为圆偏振光。 将自然光变成偏振光的过程称为起偏用于起偏的装置称为起偏器鉴别光的偏振状态的过程称为检偏它所使用的装置称为检偏器。实际上起偏器和检偏器是可以通用的。本实验所用的起偏器和检偏器均为分子型薄膜偏振片。 光信息技术实验七?光的偏振特性研究?2线偏振光的产生 产生线偏振光的方法有反射产生偏振、多次折射产生偏振、双折射产生偏振和选择性吸收产生偏振等。 1反射产生偏振与布儒斯特定律 当自然光入射到各向同性的两种介质如空气和玻璃分界面时反射光和透射折射光一般为部分偏振光。若改变入射角则反射光的偏振程度也随之改变。设两介质的折射率分别为1n和2n可以证明当入射角为某一特定值p 21tanpnn 1 时反射光变为线偏振光其振动面垂直于入射面平行于入射面振动的光反射率为零而透射光为部分偏振光如图1所示其中“”表示振动面垂直于入射面的线偏振光短线“”表示振动面平行于入射面的线偏振光圆圈和短线的数量表示偏振程度。式1称为布儒斯特定律p为布儒斯特角或称起偏振角。根据光反射的这一特性就可用调节入射角的方法获得线偏振光也可以通过测量p来计算折射率2n。例如通过测量激光束从空气射向玻璃表面反射时的布儒斯特角p可以测定玻璃相对空气的折射率。 2透射产生偏振 当光波的入射角为布儒斯特角时虽然反射光为线偏振光但反射率很低如空气和玻璃界面反射光强约为入射光强的8。对折射光而言平行于入射面的振动分量全部透过界面而垂直于入射面的振动分量仅一小部分被反射大部分也透过了界面所以透射光只是偏振化程度不高的部分偏振光。如果自然光以p入射到重叠的互相平行的玻璃片堆上则经过多次折射最后从玻璃片堆透射出来的光一般是部分偏振光。如果玻璃片数目足够多时则透射光也变为线偏振光其振动面平行于入射面。 3晶体双折射产生偏振 当一束光射入各向异性的晶体时产生折射率不同的两束光的现象称为双折射现象。当 图1 用玻璃片产生反射全偏振光 光信息技术实验七?光的偏振特性研究?光垂直于晶体表面入射而产生双折射现象时如果将晶体绕光的入射方向慢慢转动按原入射方向传播的那一束光方向不变这一束折射光的方向满足折射定律称为寻常光o光它在介质中传播时各个方向的速度相同。另一束折射光线随着晶体的转动绕前一束光旋转可见此光束不满足折射定律它在各向异性介质内的速度随方向而变称为非寻常光e光。在一些双折射晶体中有一个或几个方向o光和e光的传播速度相同这个方向称为晶体的光轴。光线在晶体内沿光轴传播时不发生双折射垂直于光轴传播时e光和o光沿同一方向传播不再分离但