大学物理实验偏振光的观测与研究应用.doc

实验3.8偏振光观测与研究偏振光理论意义和价值是，证明了光是横波。同步，偏振光在诸多技术领域得到了广泛应用。如偏振现象应用在照相技术中可大大减小反射光影响，运用电光效应制作电光开关等。【实验目】1．通过观测光偏振现象，加深对光波传播规律结识。2．掌握偏振光产生和检查办法。3．观测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。在大多数状况下，电磁辐射同物质互相作用时，起重要作用是电场，因而常以电矢量作为光波振动矢量。其振动方向相对于传播方向一种空间取向称为偏振，光这种偏振现象是横波特性。图3-26自然光依照偏振概念，如果电矢量振动只限于某一拟定方向光，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变化，其末端在垂直于传播方向平面上轨迹呈椭圆（或圆），这样光称为椭圆偏振光（或圆偏振光）；若电矢量取向与大小都随时间作无规则变化，各方向取向率相似，称为自然光，如图3-26所示；若电矢量在某一拟定方向上最强，且各向电振动无固定相位关系，则称为偏振光。1．获得偏振光办法（1）非金属镜面反射，当自然光从空气照射在折射率为n非金属镜面（如玻璃、水等）上，反射光与折射光都将成为某些偏振光。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）多层玻璃片折射，当自然光以布儒斯特角入射到叠在一起多层平行玻璃片上时，通过多次反射后透过光就近似于线偏振光，其振动在入射面内。（3）晶体双折射产生寻常光（o光）和非常光（e光），均为线偏振光。（4）用偏振片可以得到一定限度线偏振光。2．偏振片、波片及其作用（1）偏振片偏振片是运用某些有机化合物晶体二向色性，将其渗入透明塑料薄膜中，经定向拉制而成。它能吸取某一方向振动光，而透过与此垂直方向振动光，由于在应用时起作用不同而叫法不同，用来产生偏振光偏振片叫做起偏器，用来检查偏振光偏振片叫做检偏器。按照马吕斯定律，强度为I0线偏振光通过检偏器后，透射光强度为：（3-52）式中为入射偏振光偏振方向与检偏器偏振化方向之间夹角，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。自然光通过起偏器后可变为线偏振光，线偏振光振动方向与起偏器透光轴方向一致。因而，如果检偏器透光轴与起偏器透光轴平行，则在检偏器背面可看到一定光强，如果两者垂直时，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平行状况；（b）图为起偏器透光轴P1与检偏器透光轴P2垂直状况。此时透射光强为零，此种现象称为消光。在实验中要经常运用“消光”现象来判断光偏振状态。图3-27偏振光（2）波片波片也称相位延迟片，是由晶体制成厚度均匀薄片，其光轴与薄片表面平行，它能使晶片内o光和e光通过晶片后产生附加相位差。依照薄片厚度不同，可以分为1/2波长片，1/4波长片等，所用1/2、1/4波长片皆是对钠光而言。当线偏振光垂直射到厚度为L，表面平行于自身光轴单轴晶片时，则寻常光（o光）和非常光（e光）沿同一方面迈进，但传播速度不同。这两种偏振光通过晶片后，它们相位差φ为：（3-53）其中，为入射偏振光在真空中波长，no和ne分别为晶片对o光e光折射率，L为晶片厚度。咱们懂得，两个互相垂直，同频率且有固定相位差简谐振动，可用下列方程表达（通过晶片后o光和e光振动）：从两式中消去t，经三角运算后得到全振动方程式为：（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当为其她值时，为椭圆偏振光。在某一波长线偏振光垂直入射于晶片状况下，能使o光和e光产生相位差=(2K+1)（相称于光程差为/2奇数倍）晶片，称为相应于该单色光一半波片（/2波片），与此相似，能使o光和e光产生相位（相称于光程差为λ/4奇数倍）晶片，称为四分之一波片（/4波片）。本实验中所用波片（/4）是对6328A（He-Ne激光）而言。如图3-28所示，当振幅为A线偏振光垂直入射到/4波片上，振动方向与波片光轴成角时，由于o光和e光振幅分别为Asin和Acos，因此通过/4波片后合成偏振状态也随角度变化而不同。①当=0°时，获得振动方向平行于光轴线偏振光。②当=/2时，获得振动方向垂直于光轴线偏振光。③当=/4时