光偏振3完整版.doc

PAGE 4 - HARBIN 物理实验报告 实 验 题 目： 光的偏振实验 姓 名： 物理实验教学中心 实 验 报 告 一、实验题目：光的偏振实验 二、实验目的： 1.学习线偏振光、椭圆偏振光(包括圆偏振光)的获取方法； 2.验证马吕斯定律； 3.学习检验线偏振光、椭圆偏振光(包括圆偏振光)等的实验过程； 4.了解由计算机控制实验的过程。 三、实验仪器： 激光器、起偏器、检偏器、1/4波片、1/2波片、硅光电池。 四、实验原理（原理图、公式推导和文字说明）： 1.偏振光和自然光 光波是一种横波，它的光矢量是与传播方向垂直的。如果光波的矢量的方向始终不变，只是它的大小随位相改变，这样的光叫线偏振光。光矢量(电矢量)与光的传播方向组成的面称为线偏振光的振动面。如果光矢量的大小保持不变，而它的方向绕传播方向均匀地转动，光矢量末端的轨迹是一个圆，这样的光叫圆偏振光。如果光矢量的大小和方向都在有规律地变化， 图24-1 自然光 光矢量末端沿着一个椭圆转动，这样的光叫椭圆偏振光。 从普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光，即具有一切可能的振动方向的许多光波的总和。这样振动是同时存在或迅速而无规则地互相替代的，它的特点是振动方向的无规则性。但就统计规律来说，对于光的传播方向是对称的，在与传播方向垂直的平面上，无论哪一个方向的振动都不比其他方向更占优势(图24-1)。在任何实验中，如果用两个光矢量互相垂直、位相没有关联的线偏振光来代替自然光，而且让这两个线偏振光的强度都等于自然光总强度的一半，可以得到完全相同的结果。因此，自然光可以用相互垂直的两个光矢量表示。这两个光矢量的振幅相同，但位相关系是不确定的、是瞬息万变的，绝不能把这两个光矢量再进一步合成为一个稳定的线偏振光或椭圆偏振光。 图24-2 部分偏振光 自然光在传播过程中，由于外界的作用，造成各个振动方向上的强度不等，使某一方向的振动比其他方向占优势，这种光叫部分偏振光。图24-2示意地画出了部分偏振光的强度随光矢量方向的变化。图中光矢量沿垂直方向的振动比其他方向占优势，其强度用Imax表示，光矢量沿水平方向的振动较之其他方向处于劣势，其强度用Imin表示。部分偏振光也可以看作是一个完全偏振光和一个自然光混合组成的，其中完全偏振光的强度IP=Imax-Imin。在部分偏振光的总强度(Imax+Imin)中，完全偏振光所占的比率P叫做偏振度 (24-1) 对于自然光，各方向的强度相等，Imax=Imin,P=0；对于完全偏振光，IP=I总，P=1；其他情形下的P值都比1小。偏振度的数值愈接近1，光束的偏振化程度就愈高。 2.椭圆偏振光 在直角坐标系中，将椭圆偏振光的光矢量端点的轨迹用方程表示，则为 (24-2) 式中，Ex和Ey分别为光矢量E在x和y方向的分量 Ex=a1cosωt Ey=a2cos(ωt+δ)(24-3) 一般说来，方程式(24-2)是椭圆方程式，表示光矢量末端的轨迹为一椭圆。这椭圆内接于一长方形，长方形各边与坐标轴平行，边长为2a1和2a2(图24-3)。可以证明，椭圆的长轴和x轴的夹角由下式决定 (24-4) 式中，δ是振动方向平行于y轴的分量与振动方向平行于x轴的分量的位相差。 图24-4是根据式(24-2)画出的与几种不同δ值相对应的偏振椭圆的形状， 可见椭圆的形状由相差δ和振幅比a2/a1决定。在两种特殊情况下，电矢量的运动沿直线进行，因而光波为线偏振光。这两种特殊的情况是： (1)δ＝0或±2π的整数倍，这时式(24-2)化为 (24-5) 表示电矢量的运动沿着一条经过坐标原点而斜率为a2/a1的直线进行，如图24-4(a)所示。 图24-3 椭圆偏振光轨迹 图24-4 不同δ值的偏振椭圆 (2)δ=±π的奇数倍，这时式(24-2)化为 (24-6) 表示电矢量的运动沿着一条经过坐标原点而斜率为-a2/a1的直线进行，如图24-4(e)所示。 还必须指出，当δ=±π2和它们的奇数倍时，式(24-2)化为 (24-6) 这是一个标准的椭圆方程，表示一个长短轴a1，a2与坐标轴x,y重合的椭圆，如图24-4(c)。若在这种情况下同时有a1=a2=a，则由式(24-6)得到 (24-5) 表示电矢量末端的运动描成一个圆，即为圆偏振光。 图24-5 装置图 3.波片 如图24-5所示，由起偏器获得的线偏振光垂直入射到由双折射晶体制成的平面平行薄片上，晶片的光轴与其表面平行，设为y轴方向。这时入射的线偏振光分解为O光和e光，它们的电矢量分别沿x轴和y轴。习惯上把两轴中的一个称为快轴，另一个称为慢轴，意即电矢量沿着