大学物理实验《偏振光的观测与研究》教学内容Word文档下载推荐.docx
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根据偏振的概念,如果电矢量的振动只限于某一确定方向的光,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,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φ0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φ称为布儒斯特角,也称起偏振角,由布儒斯特定律得:
(3-51)
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I0的线偏振光通过检偏器后,透射光的强度为:
(3-52)
式中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=0°
时,透射光强最大;
当=90°
时,透射光强为极小值(消光状态);
当0°
<
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P1与检偏器透光轴P2平行的情况;
(b)图为起偏器透光轴P1与检偏器透光轴P2垂直的情况。
此时透射光强为零,此种现象称为消光。
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(o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φ为:
(3-53)
其中,为入射偏振光在真空中的波长,no和ne分别为晶片对o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o光和e光的振动):
从两式中消去t,经三角运算后得到全振动的方程式为:
(3-54)
由此式可知;
①当=K(K
=
0,1.2.……)时,为线偏振光。
②当(K
0,1.2.……)时,为正椭圆偏振光。
在Ao
Ae时,为圆偏振光。
③当为其他值时,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o光和e光产生相位差=(2K
+
1)(相当于光程差为/2的奇数倍)的晶片,称为对应于该单色光的二分之一波片(/2波片),与此相似,能使o光和e光产生相位(相当于光程差为λ/4的奇数倍)的晶片,称为四分之一波片(/4波片)。
本实验中所用波片(/4)是对6328A(He-Ne激光)而言的。
如图3-28所示,当振幅为A的线偏振光垂直入射到/4波片上,振动方向与波片光轴成角时,由于o光和e光的振幅分别为Asin和Acos,所以通过/4波片后合成的偏振状态也随角度的变化而不同。
①当=0°
时,获得振动方向平行于光轴的线偏振光。
②当=/2时,获得振动方向垂直于光轴的线偏振光。
③当=/4时,Ae
Ao获得圆偏振光。
④当为其他值时,经过/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时,则透射光强为:
图3-28图3-29
当=时
当时
则椭圆长短轴之比为
(3-55)
椭圆长轴的方位即为的方位。
【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P1,旋转P1,观察光屏上光斑强度的变化情况。
(2)在起偏器P1后面再插入检偏器P2,固定P1方位,旋转P2,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P2出射的光束,旋转P2,每转过10°
记录一次相应的光电流值,共转180°
,在坐标纸上作出I0~cos2关系曲线。
2.观察布儒斯特角及测定玻璃折射率
(1)在起偏器P1后插入测布儒斯特角装置,再在P1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束重合,记下初始角。
(2)一面转动玻璃平板,一面同时转动起偏器P1,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。
(3)把玻璃平板固定在布儒斯特角的位置上,去掉起偏器P1,在反射光束中插入检偏器P2,旋转P2,观察反射光的偏振状态。
3.观测椭圆偏振光和圆偏振光
(1)如图3-30所示,先使起偏器P1和检偏器P2偏振轴垂直(即检偏器P2后的光屏上处于消光状态),在起偏器P1和检偏器P2之间插入/4波片,转动波片使P2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光电转换器)取代光屏。
图3-30
(2)将起偏器P1转过20°
,调节硅光电池使透过P2的光全部进入硅光电池的接收孔内。
转动检偏器P2找出最大电流的位置,并记下光电流的数值。
重复测量3次,求平均值。
(3)转动P1,使P1的光轴与/4波片的光轴的夹角依次为30°
、45°
、60°
、75°
、90°
值,在取上述每一个角度时,都将检偏器P2转动一周,观察从P2透出光的强度变化。
4.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α
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波长片转动
检偏器P
的α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
30
45
60
75
90
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Ip~cos2关系曲线。
(3)求出布儒斯特角,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.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?
5.2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基础的弧光放电灯。
在220V额定电压下,低压钠灯发出波长为589.0nm和589.6nm的两种单色黄光最强,可达85%,而其他几种波长为818.0nm和819.1nm等的光仅有15%。
所以,在一般应用时取589.0nm和589.6nm的平均值589.3nm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612.35nm(红)、579.07nm和576.96nm(黄)、546.07nm(绿)、491.60nm(蓝绿)、435.84nm(蓝紫)、404.66nm(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3~4分钟才能正常工作,熄灭后也需冷却3~4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(He-Ne)激光器。
它由激光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632.8nm,输出功率在几毫瓦到十几毫瓦之间,多数氦氖激光管的管长为200~300mm,两端所加高压是由倍压整流或开关电源产生,电压高达1500~8000V,操作时应严防触摸,以免造成触电事故。
由于激光束输出的能量集中,强度较高,使用
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