偏振现象的观察与分析.docx

物理实验（上）偏振现象的观察与分析偏振现象的观察与分析 引言1809年，法国工程师马吕斯在实验中发现了光的偏振现象。对于光的偏振现象研究，使人们对光的传播（反射、折射、吸收和散射等）的规律有了新的认识。特别是近年来利用光的偏振性所开发出来的各种偏振光元件、偏振光仪器和偏振光技术在现代科学技术中发挥了极其重要的作用，在光调制器、光开关、光学计量、应力分析、光信息处理、光通信、激光和光电子学器件等应用中，都大量使用偏振技术。本实验通过一系列的观察与测量，要求学生学习产生和鉴别各种偏振光并对其进行观察、分析和研究的方法，从而了解和掌握偏振片、1/4波片和1/2波片的作用和应用，加深对光的偏振的性质的认识。 实验原理1 偏振光的种类光是电磁波，它的电矢量E和磁矢量H相互垂直，且都垂直于光的传播方向。通常用电矢量代表光矢量，并将光矢量和光的传播方向所构成的平面称为光的振动面。按光矢量的不同振动状态，可以把光分为五种偏振态：1) 自然光 ：在与光传播方向垂直的平面内，包含一切可能方向的横振动，即光波的电矢量在任一方向上具有相同的振幅。普通光源发光的是自然光。2) 线偏振光：在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持在同一平面内，这种光称为线偏振光（或平面偏振光)。3) 部分偏振光：光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不等，在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，这种光称为部分偏振光。自然光和部分偏振光实际上是由许多振动方向不同的线偏振光组成。4) 椭圆偏振光：在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动，且电矢量端点描出一个椭圆轨迹，这种光称为椭圆偏振光。5) 圆偏振光：旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光的特殊情形。能使自然光变成偏振光的装置或器件，称为起偏器；用来检验偏振光的装置或器件，称为检偏器。2. 线偏振光的产生1) 反射和折射产生的偏振根据布儒斯特定律，当自然光以ib=arctan n的入射角从空气或真空入射至折射率为n的介质表面上时，其反射光为完全线偏振光，振动面垂直于入射面，而透射光为部分偏振光，ib称为布儒斯特角。如果自然光以ib入射到一叠平行玻璃片堆上，则经过多次反射和折射最后从玻璃片堆透射出来的光也接近于线偏振光。玻璃片堆的数目越多，透射光的偏振度越高。2) 偏振片利用某些有机化合物晶体的“二向色性”制成。当自然光通过这种偏振片后，光矢量垂直于偏振片透振方向的分量几乎完全被吸收，光矢量平行于透振方向的分量几乎完全通过，因此透射光基本上为线偏振光。3) 双折射产生偏振当自然光入射到某些双折射晶体（如方解石、石英等）时，经晶体的双折射所产生的寻常光（o光）和非常光（e光）都是线偏振光。3 液晶片波晶片简称波片，它通常是一块光轴平行于表面的单轴晶片。一束平面偏振光垂直入射到波晶片后，便分解为振动方向与光轴方向平行的e光和与光轴方向垂直的o光两部分(如图1)。这两种光在晶体内传播方向虽然一致，但它们在晶体内传播的速度并不相同。于是，o光和e光通过波晶片后就产生固定的相位差，即式中为入射光的波长，l为晶片的厚度，ne和no分别是e光和o光的主折射率。图1对于某种单色光，能产生相位差的波晶片，称为此单色光的1/4波片；能产生的晶片，称为1/2波片；产生相位差的波晶片，称为全波片。通常波片用云母片剥离成适当厚度或用石英晶体研磨成薄片。由于石英晶体是正晶体，其o光比e光的速度快，沿光轴方向振动的光(e光)传播速度慢，故称光轴为慢轴，与之垂直的方向称为快轴。对于负晶体制成的波片，光轴就是快轴。4 平面偏振光通过各种波片后偏振态的改变由图1可知一束振动方向与光轴成角的平面偏振光垂直入射到波片上后，会产生振动方向相互垂直的e光和o光，其E矢量大小分别为Ee=Ecos，Eo=Esin，通过波片后，二者产生一附加相位差。离开波片时合成波的偏振性质，决定于相位差和。如果入射线偏振光的振动方向与波片的光轴的夹角为0或/2，则任何波片对它都不起作用，即从波片出射的光仍旧是原来的线偏振光。而如果不为0或/2，线偏振光通过1/2波片后，出来的仍然是线偏振光，但它的振动方向将旋转2，即出射光和入射光的电矢量对称于光轴。线偏振光经过1/4波片后，则可能产生线偏振光、圆偏振光和长轴与光轴垂直或平行的椭圆偏振光，这取决于入射线的偏振光振动方向与光轴夹角。5. 偏振光的鉴别鉴别入射光的偏振态须借助于检偏器和1/4波片。使入射光通过检偏器后，检测其透射光强并转动检偏器：若出现透射光强为零（称为“消光”）现象，则入射光必为线偏振光；若透射光的强度没有变化，则可能为自然光或圆偏振光（或两者的混合）；若转动检偏器，透射光强虽有变化不出现消光现象，则入射光可能是椭圆偏振光或部分偏振光。进一步作鉴别须在入射光与检偏器之间插入一块1/4波片。若入射光是圆偏振光，则通过1/4波片后将转变成线偏振光，转动检偏器时就会看到消光现象；否则，就是自然光。若入射光是椭圆偏振光，当1/4波片的慢轴（或快轴）与被检的椭圆偏振光的长轴或短轴平行时，透射光也为线偏振光，于是转动检偏器会出现消光现象；否则就是部分偏振光。 实验装置及过程1. 实验装置表1 实验装置仪器名称数量注解半导体激光器1固定在转盘上，所发出激光波长为650nm，激光器配有3V专用直流电源。偏振片2固定在转盘上，直径为2cm1/4波片2固定在转盘上，直径为2cm数字式光功率计1带光有电接收器，量程有2mW和200W两挡光具座1固定各仪器乙醚洗涤小钢球直径注意：a. 偏振片转盘上的0读数位置不一定是偏振轴所指方向 b. 1/4波片转盘上的0读数位置不一定是1/4波片得快轴或慢轴位置图22. 实验过程1) 了解1/4波片的作用： 分别记录激光正入射到1/4波片上时，出射光的偏振状态变化。2) 了解1/2波片的作用： 分别记录激光正入射到1/2波片上时，出射光的偏振状态变化。3) 旋转偏振片，观察蓝天、玻璃窗的反射光，光亮的书封面或照片的表面，分析所观察到的现象。4) 用透明的三角尺或其他有机玻璃制品取代上述样品，观察与分析白炽灯的透射光情况。5) 通过偏振片观察液晶显示器（如液晶显示的手表或计算器等），你看到什么现象？请解释旋转偏振片时看到的现象。 实验结果1. 1/4波片的作用 数字式光功率计量程为200W，调零后示数为0.0W 偏振片A零点：66（示数0.1W）,1/4波片C零点：30(示数0.1W)，故此时1/4波片的快轴或慢轴与偏振片的透振方向相同。表21/4波片转过的角度A偏振片逐渐旋转900的现象光偏振性质00光强变化，两次极大（79.8W，80.8W），两次消光（0.1W,0.1W）线偏振15光强变化，两次极大（81.5W，81.8W），两次极小（6.2W,6.4W）椭圆偏振30光强变化，两次极大（66.3W，67.0W），两次极小（21.0W,21.4W）椭圆偏振450光强变化，变化范围较小,两次极大（60.9W，60.9W），两次极小（38.0W,38.5W）椭圆偏振（接近圆）60光强变化，两次极大（76.4W，78.3W），两次极小（21.5W,21.2W）椭圆偏振75光强变化，两次极大（85.7W，86.7W），两次极小（9.5W,9.4W）椭圆偏振90光强变化，两次极大（110.7W,110.6W），两次消光（0.1W,0.1W）线偏振由记录可得，1/4波片的作用：v 当1/4波片的快轴或慢轴与线偏振光的振动方向平行时，线偏振光经过1/4波片后仍然是线偏振光，且振动方向没有改变。v 当线偏振光的振动方向与1/4波片的快轴（或慢轴）成45角时，线偏振光经过1/4波片后娈成圆偏振光。v 当线偏振光振动方向与1/4波片快轴（或慢轴）成（0、45）时，线偏振光经过1/4波后变成椭圆偏振光。2. 1/2波片的作用 偏振片A和1/4波片C仍保持660和300，当1/4波片C角度为560时消光（0.1W） C和C都转过300后，A转到1250时消光（1.4W），说明此时C-C构成了1/2波片。表312经过1/2波片后透射光转过的角度15962712703011930355.04515833590.560191370124.575216393148.590246425179.5注：在偏振片A旋转一周中会出现两次消光，实验中记录了两次消光时转盘上的刻度，然后再来算的值。为较精确得到和的关系，于是将-进行线性拟合，结果如图3：拟合方程为y=a+bx,得到结果a=-3.533.03，b=2.050.05拟合的相关度系数为0.9968，说明此拟合比较可信。由于a的不确定度较大，b近似为2，我们可以认为和成正比，比值为2。则可得1/2波片的作用为：当线偏振光经过1/2波片后，振动方向会与原来成2角，其中是线偏振光振动方向与1/2波片的快轴或慢轴的夹角。3. 透过偏振片看光亮的书封面图3旋转偏振片，观察到封面的反射光有明暗变化，且在旋转一周过程中，有两次消光和两次最亮的现象。结论：书封面的反射光几乎是线偏振光。4. 通过偏振片观察液晶显示器（计算器屏幕）旋转偏振片，可观察到屏幕的明暗变化，转动到特定位置时屏幕完全变黑，旋转一周过程中出现两次最亮和两次完全变黑的现象。结论：液晶屏的光（几乎）是线偏振的。查资料 赵凯华，光学，北京：高等教育出版社，2004年，314316页。得知，这和液晶显示屏的显示远离有关，显示屏前后有两块偏振片。5. 正交偏振片间放透明三角尺未放三角尺时，光通过正交偏振片后完全消光。将三角尺放在两偏振片之间光强变得很大，转动三角尺光强会有变化，但是不会消光。结论：可推测三角尺材料也是一种具有光轴的晶体，它也是一种波晶片。 讨论和分析1. 1/4波片的作用分析：线偏振光经过1/ 4波片产生不同类型的偏振光的原理类似产生李萨如图形的原理。一束振动方向与光轴成角的线偏振光垂直入射到1/ 4波片后会分解为 e 光和 o 光，二者产生一附加相位差 = (2k +1) / 2。此时这两个分量合成的光矢量就会随时间变化，形成如图5的椭圆（圆）轨迹，而这个椭圆在坐标轴（快慢轴）上的投影（此时即椭圆的长短轴）分别为光矢量的两个分量的最大值。当某一轴上分量振幅为零（=/2或0）时，形成线偏振光；当两轴上分量振幅相等（=/4）时，形成圆偏振光；其他情况下，即为椭圆偏振光。如下图所示：图4 0 0/4 /4 /4/2 /2v 首先，从所作的图中，可以看到，在波片转动90时，忽略无法完全消光的因素，所得偏振光的确是线偏振光；而波片转动45时，所得偏振光却仍然是椭圆偏振光，只是较其他角度时更加接近圆偏振光。v 其次，理论上，若波片转动一个角，那么测得的偏振光的极大值和极小值对应的角度应该同样转过一个角。根据上面测得的数据，可以发现测得的偏振光的极大值和极小值对应的角度并没有同样转过一个角。v 再次，理论上，因为光强与振幅的平方成正比，光强的极大值与极小值之和应该像振幅平方的极大值与极小值之和一样为恒定的值，但是计算极大值与极小值的和：79.9W、87.7W、87.3W、98.9W、97.9W、95.2W、110.8W，大致上有一个递增的趋势，存在一定的误差。造成以上三点的原因大致如下：A. 外界环境干扰：光电流计灵敏度高，房间门窗的开闭，挪动遮光罩，触碰电线甚至轻拍桌面等都会造成示数变化。B. 光学元件未和光轴垂直：实验开始前发现无论如何调节光学元件都无法使反射的激光光斑返回激光出射孔，即未能保证光学元件和光轴垂直，导致空间几何上产生一个角度引发的误差。C. 角度读数误差：由于光线较暗，读数较为困难，但因此带来的误差可保证不会超过1。2. 1/2波片的作用分析：一束振动方向与光轴成角的线偏振光垂直入射到1/ 2波片后会分解为e光和o光，二者产生一附加相位差 = (2k +1) 。光矢量的慢轴分量落后了 = (2k +1) ，其振动情况与原情况即关于光轴对称，相当于振动方向转动了2 。v 首先，从线性拟合的图来看，的确较好地符合了2倍的关系。v 其次，理论上，不同的角度所对应的光强的极大值和极小值应该都是相等的，极小值处应该消光。但从实验数据看，还是存在一定的误差。误差原因大致如下：A. 外界环境干扰&角度读数误差。B. 波片未能完全与光轴垂直，导致有一部分分量透过了检偏器。C. 1/ 4波片没有非常好地组合成1/ 2波片，在同时转过角度时出现了偏差。3. 1/4波片在鉴别偏振光中的作用： 表4 各种偏振光经过1/4波片后得偏振态变化入射光1/4波片光轴取向出射光线偏振光e轴或o轴与偏振方向一致线偏振光e轴或o轴与偏振方向呈45圆偏振光其他取向椭圆偏振光圆偏振光任何取向线偏振光椭圆偏振光e轴或o轴与椭圆主轴一致线偏振光其他取向椭圆偏振光部分偏振光任何取向部分偏振光自然光任何取向自然光 实验结论1. 线偏振光经过偏振片会有消光现象。2. 1/4波片对线偏振光的作用：a) 当1/4波片的快轴或慢轴与线偏振光的振动方向平行时，线偏振光经过1/4波片后仍然是线偏振光，且振动方向没有改变。b) 当线偏振光的振动方向与1/4波片的快轴（或慢轴）成45角时，线偏振光经过1/4波片后娈成圆偏振光。c) 当线偏振光振动方向与1/4波片