偏振光的研究.doc

实验5-15 偏振光的研究光的偏振现象揭示了光波是横波，它使人们对光的传播（反射、折射、吸收和散射）的规律有了新的认识，并在光学计量、晶体性质研究和应力分析等方面有着广泛的应用。【实验目的】1观察光的偏振现象，加深对光偏振的认识。2测定玻璃的起偏角，验证布儒斯特定律。【实验器材】分光仪、偏振片、玻璃片、钠光灯、支架和小型旋光仪。【实验原理】光波是电磁波，其电矢量的振动方向垂直于光的传播方向。电矢量的振动方向和光的传播方向所组成的平面称为光的振动面。电矢量的振动只限于某一确定平面内的光称为平面偏振光（或线偏振光）；如果电矢量在垂直于光波的传播方向上作无规则的取向，且振幅相等，则称为自然光；如果振动在某一确定方向上占相对优势，则称为部分偏振光；如果电矢量的大小和方向随时间做有规律的变化，且电矢量的末端在垂直于光传播方向平面内的轨迹是圆或椭圆，则称为圆偏振光或椭圆偏振光。用于产生偏振光的元件叫起偏器（或起偏片），用于鉴别偏振光的元件叫检偏器（检偏片），两者可通用。图5-15-1 寻常光线与非常光线一、产生平面偏振光的常见方法1利用晶体双折射现象产生偏振光当自然光入射某些各向异性晶体（如方解石）时，折射后分解为两束平面偏振光，并以不同速度在晶体内传播，如图5-15-1所示，这种现象称为双折射。图5-15-2 玻璃反射片产生的线偏振光在晶体内存在一个特殊方向，光线沿该方向入射时不发生双折射现象，该方向称为晶体的光轴。光轴与入射光所组成的平面称为该光的主平面。光轴与晶体表面法线方向组成的平面称为晶体的主截面，假设主平面与主截面重合。双折射产生的两束平面偏振光，其中一束电矢量的振动方向垂直于它的主平面，亦垂直于晶体的主截面，并遵循折射定律，称为寻常光（o光），另一束电矢量的振动方向平行于晶体的主截面，不遵循折射定律，称为非常光线（e光）。图5-15-1中“”表示垂直于主截面，“”表示平行于主截面。2利用光反射产生偏振光当一束自然光从折射率为的媒质射向折射率为的媒质，并在媒质的界面上反射和折射时，反射和折射光都为部分偏振光。逐渐改变入射角，当达到某一特定值时，反射光成为线偏振光，其振动面垂直于入射面（入射光与界面法线组成的平面），透射光为部分偏振光（见图5-15-2）。此时的入射角称为起偏角，满足布儒斯特定律 （5-15-1）3利用光折射产生偏振光图5-15-3 线偏振光垂直入射晶片若入射光以起偏角入射到多层平行玻璃片上，经过多次折射最后透射出来的光接近于平面偏振光，其振动面平行于入射面。由多层玻璃片组成的这种透射起偏片又称为玻璃堆。4利用偏振片产生偏振光它是利用某些有机化合物晶体的二向色性制成的偏振片，当自然光通过偏振片后，它对o光有选择吸收，而e光在透射出来时几乎没有损失而成了平面偏振光，其振动方向与该偏振片的偏振化方向平行。二、圆偏振光、椭圆偏振光和波片当晶片光轴平行于晶片表面时，如果平面偏振光垂直入射到晶片表面，则o光和e光沿同一方向传播。但两者折射率不同，传播速度也不相同，因此透过晶片后，两种光就产生恒定的相位差。入射的平面偏振光振动方向与光轴夹角为，振幅为，如图5-15-3所示，则o光与e光的振幅分别为 其相位差为 （5-15-2）图5-15-4 起偏振角图5-15-5 用分光仪观察反射时的偏振现象式中，为光在真空中的波长，为晶片厚度，为o光的折射率，为e光的折射率。因此，平面偏振光通过晶片后，可视为两个有不同振幅和一定相位差沿着同一方向传播且振动方向互相垂直的两束平面偏振光的叠加。当合振动矢量端点的轨迹是一椭圆，称为椭圆偏振光；当合振动矢量端点的轨迹为圆时，称为圆偏振光。决定轨迹形状的主要因素是入射光的振动方向与光轴的夹角和晶片的厚度，具体如下1如晶片厚度决定的相位差满足，则该晶片称为光的全波片。2如晶片厚度决定的相位差满足，则该晶片称为光的波片。3如晶片厚度决定的相位差满足，则该晶片称为光的波片。自晶片出射的两束光合成为椭圆偏振光，椭圆的长轴与短轴的取向决定于入射光的振动方向与光轴的夹角，当时，则为圆偏振光。4若通过晶片产生的相位差不等于以上各值时，均为椭圆偏振光。三、布儒斯特角的测定如图5-15-4所示，如果平面偏振光的振动方向与入射面平行，则入射角越接近起偏角时，反射光越弱。当入射角等于时，线偏振光全部进入媒质，不再有反射光（称为“消光”）。利用分光仪可测定偏振光从空气射向玻璃的起偏角。如图 5-15-5所示，由光源发出的光经平行光管和偏振片后，入射到玻璃片，经玻璃片反射到望远镜。若偏振片的振动面与入射面相一致时，转动载物台（即玻璃片），用望远镜跟踪并找到消光位置，则可由下式求得起偏角为 （5-15-3）式中。【实验内容】实验前调好分光仪。一、起偏和检偏1利用分光仪、检偏器和偏振片，自拟方案，观察偏振现象。2鉴别自然光和偏振光，描述并分析观察到的现象。二、测起偏角1使来自平行光管的偏振光振动面与入射面相一致如图5-15-5放置好偏振片，在偏振片与平行光管轴线相互垂直的情况下，以平行光管为轴，旋转偏振片，使偏振片的偏振化方向呈水平方向。2确定起偏角的位置放置玻璃片，转动分光仪载物台，改变入射角，同时用望远镜跟踪观察。当狭缝像最暗时，取下偏振片，调节望远镜，使叉丝与狭缝像重合，读取。3取下玻璃片，使望远镜对准平行光管，调至叉丝与狭缝像重合，读取。4将玻璃片反光面转向另一侧，同上述方法，进行第二次测量，取平均值。5将数据填入自拟的表格中，并根据式（5-15-3）计算出起偏角。三、观察圆偏振光和椭圆偏振光1以单色平行光垂直照射于一组正交的偏振片上，在两偏振片中间插入一块波片，观察并对比波片插入前、后通过检偏器的光强变化。2保证上述两偏振片的取向不变，转动插入其间的波片，使之与两偏振片偏振化方向的夹角从0转到360，观测并描述夹角改变时通过检偏器的光强变化情况，并作出解释。3使两偏振片处于消光状态时，波片的光轴作为0线，转动波