西安交大大物实验偏振光2.doc

偏振光II

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一、实验目的：
本实验主要是利用起偏、检偏元件及光电探测器要求学生：1．学习掌握偏振光的基本原理、学会用格兰棱镜获得偏振光及检验偏振光的一般方法。2．根据马吕斯定律验证硅光电池的线性响应。3．利用布儒斯特定律测量介质的折射率
二、实验原理：
偏振光原理：
按电磁波理论,光是横波，它的振动方向和光的传播方向垂直.实际中最常见的光的偏振态大体为五种，即自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏娠光和椭圆偏振光．
1.自然光是各方向的振幅相同的光。对自然光而言，它的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内可取所有可能的方向，没有一个方向占有优势.若把所有方向的光振动都分解到相互垂直的两个方向上，则在这两个方向上的振动能量和振幅都相等。

2．线偏振光是在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿一个方向振动。起偏器是将非偏振光变成线偏振光的器件；检偏器是用于鉴别光的偏振光状态的器件。常见的起偏或检偏的元件构成有两种：偏振片：它是利用聚乙烯醇塑胶膜制成，它具有梳状长链形结构分子，这些分子平行排列在同一方向上，此时胶膜只允许垂直于排列方向的光振动通过，因而产生线偏振光.
光学棱镜：如尼科耳棱镜、格兰棱镜等，它是利用光学双折射的原理制成的；
3．部分偏振光：
除了自然光和线偏振光外，还有一种偏振状态介于两者之间的光．如果用偏振片去检验这种光的时候，随着检偏器透光方向的转动，透射光的强度既不象自然光那样不变，又不象线偏振光那样每转90o。交替出现强度极大和消光．其强度每转90o也交替出现极大和极小，但强度的极小不是0(即不消光)。从内部结构看，这种光的振动虽然也是各方向都有，但不同方向的振幅大小不同，具有这种特点的光，叫做部分偏损光

4．圆偏振光
如的光矢量在波面内运动的特点是其瞬时值的大小不变，方向以角速度(即波的圆频率)匀速旋转，这种光叫做圆偏振光．圆偏振光可看成是两个相互垂直的线偏振光的合成（如图所示）
电矢量表达式为：

我们假定波是沿z轴传播的，在图中它垂直纸面迎面而系．这时若电矢量按逆时针方向旋转，我们称为左旋圆偏振光。若顺时针旋转，称为右旋圆偏振光。
5．椭圆偏振光电矢量的端点在波面内描绘的轨迹为一椭圆的光，叫椭圆偏振光。椭圆运动也可看成是两个相互垂直的线偏振光的合成，只是它们的振幅不等，或位相差不等于±π/2。

椭圆长、短轴的大小和取向，与振幅Ax,Ay和位相差都有关系。可以看出线偏振光和圆偏振光都是椭圆偏振光的特例，常用波晶片把椭圆偏振光转换为线偏振光。
椭圆偏振光退化为圆偏振光的条件是：Ax＝Ay和＝±π/2。
椭圆偏振光退化为线偏振光的条件是：Ax＝0，或Ay＝0，或＝0，±π。
椭圆偏振光也有左、右旋之分，其定义与前面圆偏振光的定义相同。
波晶片：又称位相延迟片，是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，由于波晶片内的速度vo,ve不同，所以造成o光和e光通过波晶片的光程也不同.当两光束通过波晶片后o光的位相相对于e光多延迟了Δ=2π(n0-n1)d/λ，若满足(ne-no)d=±λ/4，即Δ=±π/2我们称之为λ/4片，若满足(ne-no)d=±λ/2，即Δ=±π，我们称之为λ/2片，若满足(ne-no)d=±λ，即Δ=2π我们称之为全波片。
布儒斯特定律：
自然光以任意入射角i入射于两种各向同性的透明介质的分界面商。一般情况下，反射光和入射光分别是部分偏振光，垂直于入射面振荡的电矢量在反射光中占主要地位。在入射面上振荡的电矢量在折射光中占主要地位。有一特殊入射角b,当i=b时，反射光线垂直于折射光线(i+b=π/2)，反射光变成完全偏振光。该现象最早在1815年为布儒斯特所发现，我们称之为布儒斯特定律，b叫做布儒斯特角，满足下列方程：
其中n1，n2是相邻两种媒质的折射率。

本实验用来获得偏振光的仪器叫做格兰棱镜。格兰棱镜是由两面三块方解石棱镜构成的，二棱镜间的空气隙，方解石的光轴平行于棱镜的棱。自然光垂直于界面射入棱镜后分为o光和e光，o光在空气隙上全反射，只有e光透过棱镜射出。

马吕斯定律：
马吕斯在1809年发现，完全线偏振光通过检偏器后的光强可表示为I1=I0cos2α，其中的a是检偏器的偏振方向和入射线偏振光的光矢量振动方向的夹角：

本次实验中我们用两块格兰棱镜充当起偏器和检偏器，通过硅光电池的响应电流检测偏光强度的方法来验证马吕斯定律。
三、实验仪器及使用方法：
半导体激光器，起偏器，检偏器，1/4波片，光电探测器，光电探测器台，光电流放大器，光屏，光具座。
半导体激光器:波长为650nm，出射光为部分偏振光。光电探测器台:光电探测器平台上可放置分束板或透明薄片，将激光分为2束，一束用于监测光束变化，另一束用来测量。通过调节分束板或透