实验三十五偏振光的研究

1、实验三十五 偏振光的研究Experiment 35 Study of polarized light近年来，光学的应用范围急剧扩大，其中偏振光，首先在物理学领域，其次在化学和工程学领域中，作为主要的测量手段起到了重要的作用。另外，偏振光作为物理化学的测量手段来研究物质的结构和性质，其成果十分显著。例如，为了研究物质的表面状态，把偏振光作为入射光，然后分析它的反射光可以得到很多信息，通过透射光也可以推测物质内部分子的排列和取向等。在工程学中，偏振技术已作为 C D 等高密度载体信息的读出和检索手段。由于激光的相干性好，所以随着激光技术的进步，处理偏振光的实验更容易，因此偏振光的利用也更盛行了。实

2、验目的 Experimental purpose1 观察光的偏振现象2 分析偏振光，起偏3 定光轴实验原理 Experimental principle（一） 偏振光的基本概念(basic concept of polarized light)光是电磁波，它的电矢量E和磁矢量H相互垂直，且均垂直于光的传播方向c，通常用电矢量E代表代表光的振动方向，并将电矢量E和光的传播方向c所构成的平面称为光振动面。在传播过程中，电矢量的振动方向始终在某一确定方向的光称为平面偏振光或线偏振光，如附图1（a）。光源发射的光是由大量原子或分子辐射构成的。由于大量原子或分子的热运动和辐射的随机性，它们所发射的光的振

3、动面，出现在各个方面的几率是相同的。故这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光附图1（b）。在发光过程中，有些光的振动面在某布儒斯特Brewster（1781-1868）英国物理学家。从事光学仪器的发明与改革，发现了关于偏振光的“布儒斯特定律”。除研究晶体光学之外，还发现了光学的单轴晶体和双轴晶体的不同。1859年任爱丁堡大学校长。个特定方向上出现的几率大于其他方向，即在较长时间内电矢量在某一方向上较强，这种的光称为部分偏振光，如图附图1（c）所示，还有一些光，其振动面的取向和电矢量的大小随时间作有规律的变化，而电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆。这种光称为椭圆偏振光或

4、圆偏振光。图1（a） 图1（b） 图15（c）（二）获得偏振光的常用方法(common technique for polarizing light )图2 反射产生偏振将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏，起偏的装置称为起偏器。常用的起偏装置主要有：1 反射起偏器（或透射起偏器）(reflection polarizer or transmitting polarizer)当自然光在两种媒质的界面上反射和折射时，反射光和折射光都将成为部分偏振光。当入射角达到某一特定值时，反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于入射面（见图2）而角就是布儒斯特角，也称为起偏振角，由布儒斯特定律得例如，当光由空气射向

5、n=1.54的玻璃板时，=57度。若入射光以起偏振角射到多层平行玻璃片上，经过多次反射最后透射出来的光也就接近于线偏振光，其振动面平行于人射面。由多层玻璃片组成的这种透射起偏振器又称为玻璃片堆。见图3。图4晶体起偏器图3玻璃片堆起偏2 晶体起偏器(crystal polarizer) 利用某些晶体的双折射现象来获得线偏振光，如尼科尔棱镜等，其示意图参看图43 偏振片（分子型薄膜偏振片）(polarizing sheet )聚乙烯醇胶膜内部含有刷状结构的链状分子。在胶膜被拉伸时，这些链状分子被拉直并平行排列在拉伸方向上，拉伸过的胶膜只允许振动取向平行于分子排列方向（此方向称为偏振片的偏振轴）的光

6、通过，利用它可获得线偏振光，其示意图参看图5。偏振片是一种常用的“起偏”元件，用它可获得截面积较大的偏振光束（它就是本实验使用的元件）。入射自然光透射的平面偏振光偏振片图5偏振片起偏示意图(三)偏振光的检测(check of polarized light) 鉴别光的偏振光状态的过程称为检偏，它所用的装置称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是通用的。用于起偏的偏振片称为起偏振器，把它用于检偏就成为检偏器了。按照马吕斯定律(Maluss law)，强度为I0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为式中为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角。显然，当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度I将发生

7、周期性变化。当=0度时，透射光强度最大；当=90度时，透射光强度最小（消失状态）；当0度<<90度时，透射光强度介于最大值和最小之间。因此，根据透射光强度变化的情况，可以区别光的不同偏振状态。（四）偏振光通过波晶片时的情形(polarization state when the polarization light through the wave plate)1 波晶片( wave crystal plate)波晶片是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，其表面平行于光轴。当一束单色平行自然光正入射到波晶片上时，光在晶体内部便分解为o光与e光。o光电矢量垂直与光轴；e光电矢量平行于光

8、轴。而o光和e光的传播方向不变，仍都与表面垂直。但o光在晶体内的速度为，e光的为即相应的折射率、，不同如图6所示。波晶片图6波晶片示意图设晶片的厚度为d，则两束光通过晶体后就有位相差式中为光波在真空中的波长。的晶片，称为全波片；称为半波片（/2波片）；称为/4波片，上面的k都是任意整数。不论全波片，半波片或/4波片都是对一定波长而言。以下直角坐标系的选择，是以e光振动方向为横轴，o光振动方向为纵轴。沿任意方向振动的光，正入射到波晶片的表面，其振动便按此坐标系分解为e分量和o分量。2. 光束通过波片后偏振态的改变(polarization state alternative after ligh

9、t beam through the wave plate)平行光垂直入射到波晶片后，分解为e分量和o分量，透过晶片，二者间产生一附加位相差。离开晶片时合成光波的偏振性质，决定于及入射光的性质。1) 偏振态不变的情形（i）自然光通过波晶片，仍为自然光。因为自然光的两个正交分量之间的位相差是无规的，通过波晶片，引入一恒定的位相差，其结果还是无规的。（ii）若入射光为线偏振光，其电矢量E平行e轴（或o轴），则任何波长片对它都不起作用，出射光仍为原来的线偏振光。因为这时只有一个分量，谈不上振动的合成与偏振态的改变。除上述二情形外，偏振光通过波晶片，一般其偏振情况是要改变的。2) /2波片与偏振光（i

10、）若入射光为线偏振光，在/2波片的前面（入射处）上分解为 =0或出射光表示为 讨论二波的相对位相差，上式可写为 =出射光二正交分量的相对位相差由决定。现在和这说明出射光也是线偏振光，但振动方向与入射光的不同。如入射光与晶片光轴成角，则出射光与光轴成-角。即线偏振光经/2片电矢量振动方向转过了2角。（ii）若入射光为椭圆偏振光，作类似的分析可知，半波片既改变椭圆偏振光长（短）轴的取向，也改变椭圆偏振光（圆偏振光）的旋转方向。3) /4波片与偏振光（i）入射光为线偏振光 =0或则出射光为则出射光为此式代表一正椭圆偏振光。对应于右旋，对应于左旋。当时，出射光为圆偏振光。（ii）入射光为圆偏振光 此式

11、代表线偏振光。出射光电矢量沿一、三象限；，沿二、四象限。（iii）入射光为椭圆偏振光 出射光为可见出射光一般为椭圆偏振光。实验仪器 Experimental apparatus1 HeNe激光器（632.8nm）2 偏振片（起偏器）3 可变口径维架： SZ-054 偏振片（检偏器）5 X轴旋转二维架： SZ-06（两个，波片也需要一个）6 白屏H： SZ-137 通用底座： SZ-048 一维底座： SZ-039 一维底座： SZ-0310 通用底座： SZ-0411 1/4、1/2波片各一片12 公用底座： SZ-04（波片使用）仪器实物图及原理图Experimental instrumen

12、t and principle diagram图7仪器实物图及原理图实验步骤及数据处理 Experimental step and data processing1 定偏振片光轴：把所有器件按图7的顺序摆放在平台上，调至共轴。旋转第二个偏振片，使起偏器的偏振轴与检偏器的偏振轴相互垂直，这时可看到消光现象。2 考察平面偏振光通过/2波长时的现象：1) 在两块偏振片之间插入/2波片，把X轴旋转二维架转动360度，能看到几次消光？解释这现象。2) 将/2波片转任意角度，这时消光现象被破坏。把检偏器转动360度，观察到什么现象？由此说明通过/2波片后，光变为怎样的偏振状态？3) 仍使起偏器和检偏器处于

13、正交（即处于消光现象时），插入/2波片，使消光，再将转15度，破坏其消光。转动检偏器至消光位置，并记录检偏器所转动的角度。4) 继续将/2波片转15度（即总转动角为30度），记录检偏器达到消光所转总角度。依次使/2波长总转角为45度，60度，75度，90度，记录检偏器消光时所转总角度。半波片转动角度检偏器转动角度15度30度45度60度75度90度 从上面实验结果得出什么规律？3 用波长片产生圆偏振光和椭圆偏振光1) 按图6使与起偏器和检偏器正交，用/4波长片代替/2波片，转动/4波片使消光。2) 再将/4波片转动15度，然后将检偏器转动360度，观察到什么现象？你认为这时从/4波片出来光的偏

14、振状态是怎样？3) 依次将/4波片转动总角度为30度，45度，60度，75度，90度，每次将检偏器转动3600，记录所观察到的现象。/4波片转动的角度检偏器转动360度观察到的现象光的偏振性质15度30度45度60度75度90度思考题 Exercises1 偏振在人们日常生活中的应用？2 反射光是偏振光吗？3 怎样得到椭圆偏振光?4 让两块偏振片处于消光位置，再在它们之间插入第三块偏振片，且第三块偏振片的透光方向与第一块透光方向成45°、30°，哪一次光强大一些？原因是什么？关键词key word电磁波electromagnetic wave，光学optics, 电矢量E electric field vector ，磁矢量H magnetic field vector H，偏振光polarized light , 起偏polarize, 光轴light axis, 线偏振光linearly polarized light，自然光natural light，部分偏振光partial polarized light，椭圆偏振光elliptically polarized light，圆偏振光circular polarized light