大学物理实验《偏振光的观测与研究》

1、偏振光的理论意义和价值是，证明了光是横波。同时，偏振光在很多技术领域得到了广泛的应用。如偏振现象应用在摄影技术中可大大减小反射光的影响，利用电光效应制作电光开关等。【实验目的】1通过观察光的偏振现象，加深对光波传播规律的认识。2掌握偏振光的产生和检验方法。3观察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】按照光的电磁理论，光波就是电磁波，电磁波是横波，所以光波也是横波。在大多数情况下，电磁辐射同物质相互作用时，起主要作用的是电场，因此常以

2、电矢量作为光波的振动矢量。其振动方向相对于传播方向的一种空间取向称为偏振，光的这种偏振现象是横波的特征。根据偏振的概念，如果电矢量的振动只限于某图3-26自然光一确定方向的光，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的变化，其末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆（或圆），这样的光称为椭圆偏振光（或圆偏振光）；若电矢量的取向与大小都随时间作无规则变化，各方向的取向率相同，称为自然光，如图3-26所示；若电矢量在某一确定的方向上最强，且各向的电振动无固定相位关系，则称为偏振光。1获得偏振光的方法（1）非金属镜面的反射，当自然光从空气照射在折射率为n的非金属镜面（如玻璃、水等）上，

3、反射光与折射光都将成为部分偏振光。当入射角增大到某一特定值e0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e称为布儒斯特角，也称起偏振角，由布儒斯特定律得：tan©0=n（351）其中，n为折射率。（2）多层玻璃片的折射，当自然光以布儒斯特角入射到叠在一起的多层平行玻璃片上时，经过多次反射后透过的光就近似于线偏振光，其振动在入射面内。(3) 晶体双折射产生的寻常光(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程度的线偏振光。2偏振片、波片及其作用(1) 偏振片偏振片是利用某些有机化合物晶体的二向色性，将其渗入透明塑料薄膜中，经定向拉制而成。它能吸

4、收某一方向振动的光，而透过与此垂直方向振动的光，由于在应用时起的作用不同而叫法不同，用来产生偏振光的偏振片叫做起偏器，用来检验偏振光的偏振片叫做检偏器。按照马吕斯定律，强度为I。的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为：I=ICOS29(3-52)0式中9为入射偏振光的偏振方向与检偏器偏振化方向之间的夹角，显然当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度I发生周期性变化。当9=0°时，透射光强最大；当9=90°时透射光强为极小值(消光状态)；当0°<9<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

5、偏器的透光轴方向一致。因此，如果检偏器的透光轴与起偏器的透光轴平行，则在检偏器后面可看到一定光强，如果二者垂直时，则无光透过，如图3-27所示。其中（a）图为起偏器透光轴P与检偏器透光轴P平行的情况；（b）图为起偏器透光12轴P与检偏器透光轴P垂直的情况。此时透射光强为零，此种12现象称为消光。在实验中要经常利用“消光”现象来判断光的偏振状态。图3-27偏振光（2）波片波片也称相位延迟片，是由晶体制成的厚度均匀的薄片，其光轴与薄片表面平行，它能使晶片内的o光和e光通过晶片后产生附加相位差。根据薄片的厚度不同，可以分为1/2波长片，1/4波长片等，所用的1/2、1/4波长片皆是对钠光而言的。当线

6、偏振光垂直射到厚度为L，表面平行于自身光轴的单轴晶片时，则寻常光6光）和非常光e光）沿同一方面前进，但传播的速度不同。这两种偏振光通过晶片后，它们的相位差为：申二2n（n-n）L（3-53）九oe其中，九为入射偏振光在真空中的波长，n和n分别为晶片oe对。光e光的折射率，L为晶片的厚度。我们知道，两个互相垂直的，同频率且有固定相位差的简谐振动，可用下列方程表示（通过晶片后0光和e光的振动）:X=AsintY=Asin（t+申）o3-54）从两式中消去t,经三角运算后得到全振动的方程式为:X2Y22XY+cos9=sm2爭A2A2AAeoeo由此式可知； 当申二仪（K=0，.）时，为线偏振光。

7、当申=（2K+1町（K=0,.）时，为正椭圆偏振光。在A=A时，为圆偏振光。0e 当申为其他值时，为椭圆偏振光。在某一波长的线偏振光垂直入射于晶片的情况下，能使0光和e光产生相位差申=（2K+1）兀（相当于光程差为尢/2的奇数倍）的晶片，称为对应于该单色光的二分之一波片（尢/2波片），与此相似，能使o光和e光产生相位申=（2K+1）n（相当于光程差为入/4的奇数倍）的晶片，称为四分之一波片（九/4波片）。本实验中所用波片（尢/4）是对6328A（H-N激光）而言的。ee如图3-28所示，当振幅为A的线偏振光垂直入射到尢/4波片上，振动方向与波片光轴成o角时，由于。光和e光的振幅分别为Asino

8、和Acoso，所以通过尢/4波片后合成的偏振状态也随角度o的变化而不同。 当o=0°时，获得振动方向平行于光轴的线偏振光。 当o=尢/2时，获得振动方向垂直于光轴的线偏振光。 当o=尢/4时，A=A获得圆偏振光。eo 当o为其他值时，经过九/4波片后为椭圆偏振光。3椭圆偏振光的测量椭圆偏振光的测量包括长、短轴之比及长、短轴方位的测定。如图3-29所示，当检偏器方位与椭圆长轴的夹角为申时，则透射光强为：I=A2cos29+A2sin2912图3-28图3-29当9=Kn时I=I=A2max1当9=(2K+1)|时I=I=A2min2则椭圆长短轴之比为=厶ax(3-55)AI椭圆长轴的方

9、位即为/的方位；max【实验内容与步骤】1起偏与检偏鉴别自然光与偏振光(1) 在光源至光屏的光路上插入起偏器P，旋转P，观察光11屏上光斑强度的变化情况。(2) 在起偏器P后面再插入检偏器P，固定P方位，旋转P，1212旋转360°，观察光屏上光斑强度的变化情况。有几个消光方位？(3) 以硅光电池代替光屏接收P出射的光束，旋转P,每转22过10°记录一次相应的光电流值，共转180°，在坐标纸上作出IC0S20关系曲线。002观察布儒斯特角及测定玻璃折射率(1) 在起偏器P后插入测布儒斯特角装置，再在P和装置之间插入一个带小孔的光屏。调节玻璃平板，使反射光束与入射光

10、束重合，记下初始角申。(2) 一面转动玻璃平板，一面同时转动起偏器P,使其透过方向在入射面内。反复调节直到反射光消失为止，此时记下玻璃平板的角度,，重复测量三次，求平均值，算出布儒斯特角29=9-9。021(3) 把玻璃平板固定在布儒斯特角的位置上，去掉起偏器P，1在反射光束中插入检偏器P，旋转P，观察反射光的偏振状态。223观测椭圆偏振光和圆偏振光(1) 如图3-30所示，先使起偏器P和检偏器P偏振轴垂直12(即检偏器P后的光屏上处于消光状态)，在起偏器P和检偏器P212之间插入九/4波片，转动波片使P后的光屏上仍处于消光状态。用硅光电池(及光点检流计组成的2光电转换器)取代光屏。图3-30

11、(2) 将起偏器P转过20°，调节硅光电池使透过P的光全部12进入硅光电池的接收孔内。转动检偏器P找出最大电流的位置，2并记下光电流的数值。重复测量3次，求平均值。(3) 转动P,使P的光轴与/4波片的光轴的夹角依次为30°、1145°、60°、75°、90°值,在取上述每一个角度时,都将检偏器P转动一周，观察从P透出光的强度变化。224观察线偏振光通过1/2波片时的现象(在前面实验的基础上进行)(1) 固定起偏器,转动检偏器至消光位置并固定不动。(2) 在起偏器与检偏器之间插入1/2波长片。(3) 转动1/2波长片一周,能看到几次消

12、光？(4) 转1/2波长片,并在“出光”一侧观察直至出现消光现象。记下此时1/2波长片与检偏器的角度值。(5) 转动1/2波长片，其角度a=15°,此时，消光被破坏，在转动检偏器至消光位置，再记下此时1/2波长片与检偏器的角度值。(6) 继续进行类似的调节，使得1/2波长片转过的角度依次为30°，45°，60°，75°和90°，相应的调节检偏器至消光位置，记下此时的角度值。将以上所记角度值填入表3-10中。表3-10线偏振光通过1/2波片的数据记录1/2波长片检偏器P转动的a角度值起始位置角度值转至消光位置角度值检偏器转过的角度值15

13、3045607590从上面实验结果可以得出什么规律？怎样解释这一规律。【数据处理】(1)数据表格自拟。(2) 在坐标纸上描绘出Icos20关系曲线。p(3) 求出布儒斯特角甲=9，并由公式(3-51)求出平板玻璃的相对折射率。(4) 由公式(3-55)求出20°时椭圆偏振光的长、短轴之比，并以理论值为准求出相对误差。【思考题】1如何应用光的偏振现象说明光的横波特性？怎样区别自然光和偏振光？2玻璃平板在布儒斯特角的位置上时，反射光束是什么偏振光？它的振动是在平行于入射面内还是在垂直于入射面内？3/4波片与P1的夹角为何值时产生圆偏振光？为什么？4两片偏振片用支架安置于光具座上，正交后消

14、光，一片不动，另一片的2个表面旋转180°，会有什么现象？如有出射光，是什么原因？52片正交偏振片中间再插入一偏振片会有什么现象？怎样解释？6波片的厚度与光源的波长什么关系？附：光学实验中常用光源能够发光的物体统称为光源。实验室中常用的是将电能转换为光能的光源电光源。常见的有热辐射光源和气体放电光源及激光光源3类。1热辐射光源常用的热辐射光源是白炽灯。普通灯泡就是白炽灯，可作白色光源，应按仪器要求和灯泡上指定的电压使用，如光具座、分光计、读数显微镜等。2气体放电光源实验室常用的钠灯和汞灯（又称水银灯）可作为单色光源，它们的工作原理都是以金属Na或Hg蒸汽在强电场中发生的游离放电现象为

15、基础的弧光放电灯。在220V额定电压下，低压钠灯发出波长为和的两种单色黄光最强，可达85%，而其他几种波长为和等的光仅有15%。所以，在一般应用时取和的平均值作为钠光灯的波长值。汞灯可按其气压的高低，分为低压汞灯、高压汞灯和超高压汞灯。低压汞灯最为常用，其电源电压与管端工作电压分别为220V和20V,正常点燃时发出青紫色光，其中主要包括7种可见的单色光，它们的波长分别是（红）、和（黄）、（绿）、（蓝绿）、（蓝紫）、（紫）。使用钠灯和汞灯时，灯管必须与一定规格的镇流器（限流器）串联后才能接到电源上去，以稳定工作电流。钠灯和汞灯点燃后一般要预热34分钟才能正常工作，熄灭后也需冷却34分钟后，方可重新开启。3激光光源激光是20世纪60年代诞生的新光源。激光（Laser）是“受激辐射光放大”的简称。它具有发光强度大、方向性好、单色性强和相干性好等优点。激光器是产生激光的装置，它的种类很多，如氦氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、红宝石激光器等。实验室中常用的激光器是氦氖（H-N）激光器。它由激光ee工作的氦氖混合气体、激励装置和光学谐振腔3部分组成。氦氖激光器发出的光波波长为，输出功率在几毫瓦到十