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1、偏振光的观测与研究-实验报 告偏振光的观测与研究 光的干预和衍射实验证实了光的波动性质. 本实 验将进一步说明光是横波而不是纵波, 即其E和 H的振动方向是垂直于光的传播方向的.光的 偏振性证实了光是横波,人们通过对光的偏振性 质的研究,更深刻地熟悉了光的传播规律和光与 物质的相互作用规律.目前偏振光的应用已普及 于工农业、医学、国防等部门.利用偏振光装置 的各种精密仪器,已为科研、工程设计、生产技 术的检验等,提供了极有价值的方法.【实验目的】1 .观察光的偏振现象,加深偏振的根本概念.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 .观测椭圆偏振光和圆偏振光.
2、【实验仪器】光具座、激光器、偏振片、1/4波片、1/2波片、光电转换装置、光点检流计、观测布儒斯特角装图1实验仪器实物图【实验原理】1 .偏振光的根本概念根据光的电磁理论,光波就是电磁波,它的电矢 量E和磁矢量H相互垂直.两者均垂直于光的传 播方向.从视觉和感光材料的特性上看,引起视 觉和化学反响的是光的电矢量,通常用电矢量 E 代表光的振动方向,并将电矢量E和光的传播方 向所构成的平面称为光振动面.在传播过程中,光的振动方向始终在某一确定方 位的光称为平面偏振光或线偏振光,如图2(a). 光源发射的光是由大量原子或分子辐射构成的. 由于热运动和辐射的随机性,大量原子或分子发 射的光的振动面出
3、现在各个方向的几率是相同 的.一般说,在106s内各个方向电矢量的时间 平均值相等,故出现如图 2 (b)所示的所谓自 然光.有些光的振动面在某个特定方向出现的几 率大于其他方向,即在较长时间内电矢量在某一 方向较强,这就是如图 2 (c)所示的所谓局部 偏振光.还有一些光,其振动面的取向和电矢量 的大小随时间作有规那么的变化,其电矢量末端在 垂直于传播方向的平面上的移动轨迹呈椭圆(或 圆形),这样的光称为椭圆偏振光(或圆偏振光), 如图2 (c)所示.图2光波按偏振的分类2 .获得偏振光的常用方法(1)非金属镜面的反射.通常自然光在两种媒质的界面上反射和折射时, 反射光和折射光都将成为局部偏
4、振光.并且当入 射角增大到某一特定值时,镜面反射光成为完 全偏振光,其振动面垂直于入射面,如图3所示, 这时入射角称为布儒斯特角,也称为起偏角.由布儒斯特定律得：其中、分别为两种介质的折射率,为相对折射率.如果自然光从空气入射到玻璃外表而反射时,对 于各种不同材料的玻璃,其相对折射率n的 变化范围在1. 50到L 77之间,那么可得布儒斯特角约在5660之间.此方法可用来测定物质 的折射率.(2)多层玻璃片的折射.当自然光以布儒斯特角入射到由多层平行玻璃 片重叠在一起构成的玻璃片堆上时,由于在各个 界面上的反射光都是振动面垂直入射面的线偏 振光,故经过屡次反射后,透出来的透射光也就 接近于振动
5、方向平行于入射面的线偏振光.(3)利用偏振片的二向色性起偏.将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏.某些有机化合物晶体具有二向色性,它往往吸收 某一振动方向的入射光,而与此方向垂直振动的 光那么能透过,从而可获得线偏振光.利用这类材 料制成的偏振片可获得较大截面积的偏振光束, 但由于吸收不完全,所得的偏振光只能到达一定 的偏振度.(4)利用晶体的双折射起偏.自然光通过各向异性的晶体时将发生双折射现 象,双折射产生的寻常光(O光)和非常光(e光)均为线偏振光.光光矢量的振动方向垂直 于自己的主截面；e光光矢量的振动方向在自己 的主截面内.方解石是典型的天然双折射晶体, 常用它制成特殊的棱镜以产生线偏
6、振光.利用方 解石制成的沃拉斯顿棱镜能产生振动面互相垂 直的两束线偏振光：用方解石胶合成的尼科耳棱 镜能给出一个有固定振动面的线偏振光.3 .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,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.根据马吕斯定律,强度为I.的线偏振光通过检偏 器后,透射光的强度为:时,透射光强最大；当=90时,透射光强为极 小值消光状态,当 90时,透射光强介于 最大和最小值之间,如下图表示了自
7、然光通过 起偏器与检偏器的变化.图4光波的起偏核检偏根据透射光强度变化的情况,可以区别线偏振光、自然光和局部偏振光.波片波片是用单轴晶体切成的外表平行于光轴的薄片.当线偏振光垂直射到厚度为 L,外表平行于自身 光轴的单轴晶片时,会产生双折射现象,寻常光O光和非常光e光沿同一方向前进,但传 播的速度不同.这两种偏振光通过晶片后,它们 的相位差为：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光和e光的折射率,L为晶片的 厚度.我们知道,两个互相垂直的、频率相同且有固定 相位差的简谐振动,可用以下方程表示如通过晶片后光和光的振动 从两式中消去t,经三角运算后得到合振动的方 程式为由此
8、式可知,1当时,为线偏振光.2当时,为正椭圆偏振光.在 二时,为圆 偏振光.3当为其它值时,为椭圆偏振光.在某一波长的线偏振光垂直入射到晶片的情况下,能使.光和e光产生相位差 相当于光程 差为的奇数倍的晶片,称为对应于该单色光 的二分之一波片1/2波片或波片；与此相 似,能使.光和e光产生相位差 相当于光程 差为 的奇数倍的晶片,称为四分之一波片1/4 波片或 波片.本实验中所用波片是对激 光而言的.如图5所示,当振幅为A的线偏振光垂直入射到 1/4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A和A ,所以通过1/4波片合成的偏振状态也随角度的变化而不 图51当二时,获得振
9、动方向平行于光轴的线偏振 光(e光).2当=/4时,获得振动方向垂直于光轴的线偏 振光(o光).3当=/2时,Ae=Ao获得圆偏振光.4当为其它值时,经过1/4波片后为椭圆偏振 光.所以,可以用1/4波片获得椭圆偏振光和圆偏振 光.【实验内容与步骤】1.起偏与检偏鉴别自然光与偏振光,验证马吕斯定律.(1) 在光源至光屏的光路上插入起偏器R,旋转R,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P2O固定P1的方位,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,记录相应的光电流值,共转90, 在
10、坐标纸上作出Icos 2 0关系曲线.2 .观测布儒斯特及测定玻璃折射率(1) 在起偏器Pi后,插入测布儒斯特角的装置,再在Pi和装置之间插入一个带小孔的光屏. 调节玻璃平板,使反射的光束与入射光束重合. 记下初始角.(2) 一面转动玻璃平板,一面同时转动起偏器Pi,使其透过方向在入射面内.反复调节直到 反射光消失为止,此时记下玻璃平板的角度,重复测量三次,求平均值.算出布儒斯特角.(3) 把玻璃平板固定在平儒斯特角的位置上,去掉起偏器Pi,在反射光束插入检偏器P2, 转P2,观察反射光的偏振状态.3 .观察椭圆偏振光和圆偏振光(1) 先使起偏器Pi和检偏器P2的偏振轴垂直(即检偏器P2后的光
11、屏上处于消光状态),在起 偏器Pi和检偏器P2之间插入i/4波片,转动波 片使P2后的光屏上仍处于消光状态(此时 =).(2) 从=的位置开始,使检偏器P2转动,这 时可以从屏上光强的变化看到经过 i/4波片后的光为线偏振光(3) 取=90,使检偏器P2转动,这时也可以 从屏上光强的变化看到经过 1/4波片后的光为 线偏振光.其振动面与=时的振动面垂直.(4) 取为除0和90外的其他值,观察转动P2时屏上光强的变化,其结果与椭圆偏振光对 应.特别是当=45时,P2转动时屏上光强几乎 不变,这便是圆偏振光对应的状态.【考前须知】1、实验中各元件不能用手摸,实验完毕后按规 定位置放置好.2、不要让
12、激光束直接照射或反射到人眼内.【数据记录及处理表1马吕斯定律验证实验Pl与P2光电流的读数I偏振化()实验理 论方向夹第一第第三次I/II/I 0=cos001.003000.754500.506000.2590.0.00表2玻璃折射率的测定与计算次 数玻璃平板的角位置布儒斯特角玻璃折 射率 n=tg光垂直入 射时反射光消 光时123【思考题】1. 偏振光的获得方法有哪几种2. 通过起偏和检偏的观测,你应当怎样判别自然光和偏振光3. 什么是马吕斯定律本实验如何验证此定律4. 玻璃平板在布儒斯特角的位置上时,反射光束是什么偏振光它的振动是在平行于 入射面内还是在垂直于入射面内I = Io COSI 2式中为入射偏振光的偏振方向与检偏器偏振轴 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将发生周期性变化.当=