大学物理实验--光的偏振

1 实验实验 2727 光的偏振光的偏振 一 实验目的一 实验目的 1 观察光的偏振现象 加深对光的偏振的理解 2 了解偏振光的产生及其检验方法 3 观测布儒斯特角 测定玻璃折射率 4 观测椭圆偏振光与圆偏振光 5 了解 1 2 波片和 1 4 波片的用途 二 实验原理二 实验原理 1 光的偏振状态 光是电磁波 它是横波 通常用电矢量E E表示光波的振动矢量 1 自然光 其电矢量在垂直于传播方向的平面内任意取向 各个方向的取向概率相等 所以在相当长的时间里 10 5秒已足够了 各取向上电矢量的时间平均值是相等的 这样的光称 为自然光 如图 27 l 所示 2 平面偏振光 电矢量只限于某一确定方向的光 因其电矢量和光线构成一个平面而称其为平面偏振光 如果迎着光线看 电矢量末端的轨迹为一直线 所以平面偏振光也称为线偏振光 如图 27 2 所示 3 部分偏振光 电矢量在某一确定方向上较强 而在和它正交的方向上较弱 这种光称为部分偏振光 如图 27 3 所示 部分偏振光可以看成是线偏振光和自然光的混合 4 椭圆偏振光 迎着光线看 如果电矢量末端的轨迹为一椭圆 这样的光称为椭圆偏振光 椭圆偏振光可以由两个电矢量互相垂直的 有恒定相位差的线偏振光合成得到 5 圆偏振光 迎着光线看 如果电矢量末端的轨迹为一个圆 则这样的光称为圆偏振光 圆偏振光可视为长 短轴相等的椭圆偏振光 图 27 4 椭圆偏振光 2 2 2 布儒斯特定律 反射光的偏振与布儒斯特定律 如图 27 5 所示 光在两介质 如空气和玻璃片等 界面上 反射光和折射光 透射光 都是部分偏振光 当反射光线与折射光线的夹角恰为 90 时 反射光为线偏振光 其电矢量振动 方向垂直于入射光线与界面法线所决定的平面 入射面 此时的透射光中包含平行于入射面的偏振光的全部以及垂直于入射面的偏振光的其余部分 所以透射光仍为部分偏振光 由折射定 律很容易导出此时的入射角满足关系 27 1 1 2 tan n n 27 1 式称为布儒斯特定律 入射角称为布儒斯特角 或称为起偏角 若光从空气入射到玻璃 n2约为 1 5 起偏角约 56 3 偏振片 起偏和检偏 马吕斯定律 1 由二向色性晶体的选择吸收所产生的偏振 自自然然光光 偏偏振振光光 偏偏振振片片 P1P2 I0 起起偏偏器器检检偏偏器器 自自然然光光 I 图a 偏振片起偏 图 b 起偏和检偏 图 27 6 偏振片 有些晶体 如电气石 长链分子晶体 如高碘硫酸奎宁 对两个相互垂直振动的电矢量具有不同的吸收本领 这种选择吸收性称为二向色性 在两平板玻璃间 夹一层二向色性很强的 物质就制成了偏振片 自然光通过偏振片时 一个方向的电矢量几乎完全通过 该方向称为偏振片的偏振化方向 而与偏振化方向垂直的电矢量则几乎被完全吸收 因此透射光就成为线偏 振光 根据这一特性 偏振片既可用来产生偏振光 起偏 也可用于检验光的偏振状态 检偏 2 马吕斯定律 用强度为 I0的线偏振光入射 透过偏振片的光强为 I 则有如下关系 2 0cos II 27 2 27 2 式称为马吕斯定律 是入射光的 E 矢量振动方向和检偏器偏振化方向之间的夹角 以入射光线为轴转动偏振片 如果透射光强I有变化 且转动到某位置时I 0 则表明入 射光为线偏振光 此时 90 4 波片 1 两个互相垂直的 同频率的简谐振动的合成 设有两各互相垂直且同频率的简谐振动 它们的运动方程分别为 cos cos 22 11 tAy tAx 27 3 合运动是这两个分运动之和 消去参数t 得到合运动矢量末端运动轨迹方程为 sin cos 2 12 2 12 21 2 2 2 2 1 2 AA xy A y A x 27 4 上式表明 一般情况下 合振动矢量末端运动轨迹是椭圆 该椭圆在的矩形范围内 如果 27 3 式表示的是两线偏振光 则叠加后一般成为椭圆偏振光 下面讨论相位 21 22AA 差为几种特殊值的情况 12 当 k 0 1 2 时 27 4 式变为 k2 3 27 5 21 A y A x 合振动矢量末端运动轨迹是上述矩形的对角线 与 y 轴的夹角为 这就是说 相互垂直的 同相位的两线偏振光合成后仍为线偏振光 但 E 振动有新的取向 当 k 0 1 2 时 27 4 式变为 12 k 27 6 21 A y A x 27 6 式表明 相互垂直的 相位相反的两线偏振光合成后也是线偏振光 E 振动方向与 y 轴的夹角也是 但在 y 轴的另一侧 当 k 0 1 2 时 27 4 式变为 2 12 k 27 7 1 2 2 2 2 1 2 A y A x 此时 合振动矢量末端运动轨迹是正立在上述矩形内的椭圆 即相互垂直的 相位差是的两线偏振光合成为椭圆偏振光 椭圆的长半轴和短半轴分别等于两线偏振光的振幅 2 根据情况 且 A1 A2 A 则 27 4 式变为 222 Ayx 27 8 即振幅相等的 相互垂直的 相位差是的两线偏振光合成为圆偏振光 2 2 双折射晶体 光光轴轴 e e光光 o o光光 图 27 7 双折射 一束自然光在入射到某些各向异性晶体上时 能够被分成振动方向相互垂直的两束线偏振光 分别称为 e 光和 o 光 它们以不同的速度 沿不同的方向在晶体内传播 如图 27 7 所示 这种现象称为双折射 这些晶体称为双折射晶体 如方解石 石英等 方解石 称 负晶体 石英称 正晶体 在双折射晶体内有一个被称为光轴 0 nne 0 nne 的特殊方向 光线在晶体内沿光轴传播时 不发生双折射 平行于光轴传播时 e 光和 o 光沿同一方向传播不再分离 但传播速度仍是不同 把双折射晶体沿光轴切割并磨制成平行平板 这就是波片 一束线偏振光垂直入射到波片表面 被分解成 e 光和 o 光 e 光的 E 矢量振动方向平行于光轴 o 光的 E 矢量振动方向垂直于 光轴 入射时它们之间的光程差为零 相位差 因为 e 光和 o 光传播速度不同 当从波片的第二表面出射时 它们之间就有了光程差 相位差也不再为零 在选定0 了晶体之后 对于某一波长的单色光 只取决于波片的厚度 即 27 9 Lnn eo 2 式中的是单色光波长 和是 o 光和 e 光的折射率 L 为晶片厚度 o n e n 由于 o 光 e 光的振动方向相互垂直 取 e 光轴为 x 方向 沿 x 轴 y 轴的光矢量分别为 Ex和 Ey 则有 27 10 2 2 2 2 2 sincos 2 oe yx o y e x AA EE A E A E 因此 根据 27 10 式 就有如下推论 当时 为线偏振光 k2 当时 为线偏振光 12 k 当时 为正椭圆偏振光 2 1 k 4 Ae A Ao 光轴方向 图 27 9 偏振片通过波片示意图4 当不等于以上各值时 为椭圆偏振光 晶晶片片 光光轴轴 Ao Ae 平平面面 偏偏振振光光 在在玻玻片片内内 在在空空气气中中 光光轴轴 图 27 8 波片中的 e 光和 o 光 3 波片和波片2 4 对某一波长为的单色光 产生相位差的晶片称为该单色光的半波片 对某一波长为的单色光 产生相位差 12 k 2 1 k 的晶片称为该单色光的波片 4 当线偏振光垂直人射到波片上时 且其振动方向与波片光轴成角 如图 27 4 9 所示 由于 o 光和 e 光的振幅是的函数 所以 合成光的振幅 A 因角不同而不同 当或时 或 为线偏振光 0 2 0 O A0 e A 当时 为圆偏振光 4 eO AA 当为其他角度时 为椭圆偏振光 表 27 1 鉴别光的偏振态 光的种类仅使用偏振器 并使其旋转 片 偏振片4 自然光光强不变 不消光光强不变 不消光 圆偏振光光强不变 不消光消光 线偏振光光强改变 消光 可以鉴定 部分偏振光光强改变 但不消光光强改变 但不消光 椭圆偏振光光强改变 但不消光消光 三 实验仪器三 实验仪器 1 白光源 GY 6A 2 凸透镜 f 150mm 3 二维调节架 SZ 07 4 可调狭缝 SZ 27 5 光学测角台 SZ 47 6 升降调节座 SZ 03 7 黑玻璃镜 8 偏振片 9 X 轴旋转二维架 SZ 06 10 11 升降调节座 SZ 03 12 二维平移底座 SZ 02 另需钠灯 氦氖激光器 波片 及架 冰洲石及4 nm633 5 转动架和扩束器 观察屏等 图 27 10 实验装置示意图 四 实验内容四 实验内容与步骤与步骤 1 起偏与检偏 按图 27 10 所示 使白光源灯丝位于透镜的焦平面上 此时二底座相距 162mm 近似平行光束通过狭缝 向光学分度盘中心的黑玻璃镜入射 并在台面上显出指向圆心的光迹 此时转 动分度盘 对任意入射角 利用偏振片和 X 轴旋转二维架组成的检偏器检验反射光的偏振态 2 利用布儒斯特定律测定玻璃的折射率 1 在图 27 10 中 当光束以布儒斯特角 iB入射时 反射的线偏振光可被检偏器消除 对 n 1 51 iB 570 该入射角需反复仔细校准 因线偏振光的振动面垂直于入射面 按检偏器消 光方位可以定出偏振片的易透射轴 2 测出起偏角 iB并按 27 1 式计算出玻璃的折射率 3 检查此时透射光的状态 3 验证马吕斯定律 如图 27 11 所示 使钠光通过偏振片 A 起偏振 用装在 X 轴旋转二维架上 对准指标线 的偏振片 B 在转动中检偏振 分析透射光的光强变化与角度的关系 4 椭圆偏振光的分析 使激光束通过扩束器 f 4 5mm 或 f 6 5mm 狭缝和黑玻璃镜产生线偏振光 在通过波片之后 用装在 X 轴旋转二维架上的偏振片在旋转中观察透射光光强变化 是否有两4 明两暗位置 注意与上一项实验现象有何不同 在暗位置 检偏器的透振方向即椭圆的短轴方向 5 圆偏振光的分析 在透振轴正交的二偏振片之间加入波片 旋转至透射光强恢复为零处 从该位置在转动 450 即可产生圆偏振光 此时若用检偏器转动检查 在观察屏 白屏 上的透射光强应是4 不变的 观察圆偏振光和椭圆偏振光的具体做法是 1 按图 27 11 调整偏振片 A 和 B 的位置使通过的光消失 然后插入一片 1 4 波片 C1 注意使光线尽量穿过元件中心 2 以光线为轴 先转动 C1消光 然后使 B 转 3600 观察现象 3 再将 C1从消光位置转过 300 450 600 750 900 每次以光线为轴 将 B 转 3600观察现象 将上面几次实验的情况记录在表 27 1 中 6 利用冰洲石及可转动支架 可以观察和分析该晶体的双折射现象 让自然光 如钠光 通过支架上的一个小孔入射冰洲石晶体 用眼睛在适当距离能够看到光束一分为二 转动支架 又能判别寻常光 o 光 和非常光 e 光 然后用检偏器确定 o 光和 e 光 偏振方向的关系 6 五 数据记录与处理五 数据记录与处理 1 将各直接测量值的原始数据用列表法表示 2 要计算玻璃折射率测量的误差 并写出最后结果 表 27 1 产生圆偏振光和椭圆偏振光的实验数据记录表 C1转角转动 B 时观察现象经 C1后光的偏振态简要理由 00 300 450 600 750 900 六 思考题六 思考题 一 预习自测题 1 两偏振片的偏振化方向相互垂直放置 称之为正交偏振片 光束不能通过正交偏振片 此时称为消光 在正交偏振片间插人一波片 为什么光可以通过 2 转动正交偏振片间的波片一周 有几次消光 根据这个现象 能否判断波片光轴与偏振片的偏振化方向之间的角度关系