大学物理实验偏振光的观测与研究样本.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除。
实验3.8偏振光的观测与研究
偏振光的理论意义和价值是,证明了光是横波。同时,偏振光在很多技术领域得到了广泛的应用。如偏振现象应用在摄影技术中可大大减小反射光的影响,利用电光效应制作电光开关等。
【实验目的】
1．经过观察光的偏振现象,加深对光波传播规律的认识。
2．掌握偏振光的产生和检验方法。
3．观察布儒斯特角及测定玻璃折射率。
4．观测圆偏振光和椭圆偏振光。
【实验仪器】
光具座、激光器、光点检流计、起偏器、检偏器、1/4波片、1/2波片、光电转换装置、观测布儒斯特角装置、带小孔光屏、钠光灯。
【实验原理】
按照光的电磁理论,光波就是电磁波,电磁波是横波,因此光波也是横波。在大多数情况下,电磁辐射同物质相互作用时,起主要作用的是电场,因此常以电矢量作为光波的振动矢量。其振动方向相对于传播方向的一种空间取向称为偏振,光的这种偏振现象是横波的特征。

图3-26自然光
根据偏振的概念,如果电矢量的振动只限于某一确定方向的光,称为平面偏振光,亦称线偏振光;如果电矢量随时间作有规律的变化,其末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆(或圆),这样的光称为椭圆偏振光(或圆偏振光);若电矢量的取向与大小都随时间作无规则变化,各方向的取向率相同,称为自然光,如图3-26所示;若电矢量在某一确定的方向上最强,且各向的电振动无固定相位关系,则称为偏振光。
1．获得偏振光的方法
(1)非金属镜面的反射,当自然光从空气照射在折射率为n的非金属镜面(如玻璃、水等)上,反射光与折射光都将成为部分偏振光。当入射角增大到某一特定值φ0时,镜面反射光成为完全偏振光,其振动面垂直于射面,这时入射角φ称为布儒斯特角,也称起偏振角,由布儒斯特定律得:
(3-51)
其中,n为折射率。
(2)多层玻璃片的折射,当自然光以布儒斯特角入射到叠在一起的多层平行玻璃片上时,经过多次反射后透过的光就近似于线偏振光,其振动在入射面内。
(3)晶体双折射产生的寻常光(o光)和非常光(e光),均为线偏振光。
(4)用偏振片能够得到一定程度的线偏振光。
2．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而叫法不同,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。
按照马吕斯定律,强度为I0的线偏振光经过检偏器后,透射光的强度为:
(3-52)
式中为入射偏振光的偏振方向与检偏器偏振化方向之间的夹角,显然当以光线传播方向为轴转动检偏器时,透射光强度I发生周期性变化。当=0°时,透射光强最大;当=90°时,透射光强为极小值(消光状态);当0°<<90°时,透射光强介于最大和最小之间。
自然光经过起偏器后可变为线偏振光,线偏振光振动方向与起偏器的透光轴方向一致。因此,如果检偏器的透光轴与起偏器的透光轴平行,则在检偏器后面可看到一定光强,如果二者垂直时,则无光透过,如图3-27所示。其中(a)图为起偏器透光轴P1与检偏器透光轴P2平行的情况;(b)图为起偏器透光轴P1与检偏器透光轴P2垂直的情况。此时透射光强为零,此种现象称为消光。在实验中要经常利用”消光”现象来判断光的偏振状态。

图3-27偏振光
(2)波片
波片也称相位延迟片,是由晶体制成的厚度均匀的薄片,其光轴与薄片表面平行,它能使晶片内的o光和e光经过晶片后产生附加相位差。根据薄片的厚度不同,能够分为1/2波长片,1/4波长片等,所用的1/2、1/4波长片皆是对钠光而言的。
当线偏振光垂直射到厚度为L,表面平行于自身光轴的单轴晶片时,则寻常光(o光)和非常光(e光)沿同一方面前进,但传播的速度不同。这两种偏振光经过晶片后,它们的相位差φ为:
(3-53)
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e光的折射率,L为晶片的厚度。
我们知道,两个互相垂直的,同频率且有固定相位差的简谐振动,可用下列方程表示(经过晶片后o光和e光的振动):

从两式中消去t,经三角运算后得到全振动的方程式为:
(3-54)
由此式可知;
①当=K(K=0,1.2.……)时,为线偏振光。
②当(K=0,1.2.……)时,为正椭圆偏振光。在Ao=Ae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于晶片的情况下,能使o光和e光产生相位差=(2K+1)(相当于光程差为/2的奇数倍)的晶片,称为对应于该单色光的二分之一波片(/2波片),与此相似,能使o光和e光产生相位(相当于光程差为λ/4的奇数倍)的晶片,称为四分之一波片(/4波片)。本实验中所用波片(/4)是对632