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偏振光实验
偏振光实验
光是一种电磁波,其电矢量的振动方向垂直于传播方向,是横波。
由于一般光源发光机制的无序性,其光波的电矢量的分布(方向和大小)对传播方向来说是对称的,称为自然光。
当由于某种原因,使光线的电矢量分布对其传播方向不再对称时,我们称这种光线为偏振光。
对于偏振现象的研究在光学发展史中有很重要的地位,光的偏振使人们对光的传播(反射、折射、吸收和散射)规律有了新的认识,并在光学计量、晶体性质研究和实验应力分析技术部门有广泛的应用。
【实验目的】
1.观察光的偏振现象,验证马吕斯定律;
2.了解1/2波片、1/4波片的作用;
3.掌握椭圆偏振光、圆偏振光的产生与检测。
【实验原理】
1.光的偏振性
光是一种电磁波,由于电磁波对物质的作用主要是电场,故在光学中把电场强度E称为光矢量在垂直于光波传播方向的平面内,光矢量可能有不同的振动方向,通常把光矢量保持一定振动方向上的状态称为偏振态。
如果光在传播过程中,若光矢量保持在固定平面上振动,这种振动状态称为平面振动态,此平面就称为振动面(见图1)。
此时光矢量在垂直与传播方向平面上的投影为一条直
线,故又称为线偏振态。
若光矢量绕着传播方向旋转,其端点描绘的轨道为一个圆,这种偏振态称为圆偏振态。
如光矢量端点旋转的轨迹为一椭圆,就成为椭圆偏振态(见图2)。
普通光源发出的光一般是自然光,自然光不能直接显示出偏振想象。
但自然光可以看成是两个振幅相同,振动相互垂直的非相干平面偏振光的叠加。
在自然光与平面偏振光之间有一种部分偏振光,可以看作是一个平面偏振光与一个自然光混合而成的。
其中的平面偏振光的振动方向就是这个部分偏振光的振幅最大方向。
2.偏振片
虽然普通光源发出自然光,但在自然界中存在着各种偏振光,目前广泛使用的偏振光的器件是人造偏振片,它利用二向色性获得偏振光(有些各向同性介质,在某种作用下会呈现各向异性,能强烈吸收入射光矢量在某方向上的分量,而通过其垂直分量,从而使入射的自然光变为偏振光,介质的这种性质称为二向色性)。
偏振器件即可以用来使自然光变为平面偏振光——起偏,也可以用来鉴别线偏振光、自然光和部分偏振光——检偏。
用作起偏的偏振片叫做起偏器,用作检偏的偏振器件叫做检偏器。
实际上,起偏器和检偏器是通用的。
3.马吕斯定律
设两偏振片的透振方向之间的夹角为a,透过起偏器的线偏振光振幅为A0,则透过检偏器的线偏振光的振幅为A
A=A0cosα
强度为I:
式中I0为进入检偏器前(偏振片无吸收时)线偏振光的强度。
(1)式是1809年马吕斯在实验中发现,所以称马吕斯定律。
显然,以光线传播方向为轴,转动检偏器时,透射光强度I将发生周期变化。
若入射光是部分偏振光或椭圆偏振光,则极小值不为0。
若光强完全不变化,则入射光是自然光或圆偏振光。
这样,根据透射光强度变化的情况,可将线偏振光和自然光和部分偏振光区别开来。
4.椭圆偏振光、圆偏振光的产生;1/2波片和1/4波片的作用当线偏振光垂直射乳一块表面平行于光轴的晶片时,若其振动面与晶片的光轴成a角,该线偏振光将分为e光、o光两部分,它们的传播方向一致,但振动方向平行于光轴的e光与振动方向垂直于光轴的o光在晶体中传播速度不同,因而产生的光程差为:
位相差为:
式中ne为e光的主折射率,no为o光的主折射率(正晶体中,d>0,在负晶体中d<0)。
d为晶体的厚度,如图4所示。
当光刚刚穿过晶体时,此两光的振动可分别表示如下:
式中Ae=Acosa,Ao=Asina,由(3)中的两式消去t,得轨迹方程
这是个一般的椭圆方程。
当改变厚度d时,光程差Δ亦改变。
(1)
这是直线方程,故出射光为平面偏振光,与原入射光振动方向相同,满足此条件之晶片叫全波片。
光通过全波片不发生振动状态的变化。
(2)
出射光也是平面偏振光,但与原入射光夹角为2a,满足此条件的晶片叫1/2波片,或半波片,平面偏振光通过半波片后,振动面转过2a角,若a=45°,则出射光的振动面与入射光的振动面垂直。
(3)
出射光为椭圆偏振光,椭圆的两轴分别与晶体的主截面平行及垂直,满足此条件的晶片叫1/4波片。
1/4波片是作偏振光实验重要的常用元件。
若Ae=A0,于是,出射光为圆偏振光。
由于o光和e光的振幅是a的函数,所以通过1/4波片后的合成偏振状态也将随角度a变化而不同。
当a=0°时,出射光为振动方向平行1/4波片光轴的平面偏振光。
当a=p/2时,出射光为振动方向垂直于光轴的平面偏振光。
当a=p/4时,出射光为圆偏振光。
当a为其它值时,出射光为椭圆偏振光。
【实验内容】
一、验证马吕斯定律。
1,将万用表调到直流电压挡,记录其U0值。
2,打开激光管电源,调节共轴。
3,取下1/4玻片。
4,旋转P2至电压U值最大处停。
(P1、P2平行状态,0为0)记录P2所处的位置和U值。
5,旋转P2一周,每间隔15记录一次U值。
6,作0—(U-U0)图。
二、验证椭圆偏振光(含圆偏振光)。
1,未放置1/4玻片前,调节P2至电压U至最小处停,记录此时P2所处的位置。
2,P1、P2中间放入1/4玻片,旋转1/4玻片至电压U值最小处停,记录1/4玻片此时所处的位置(1/4玻片与P1平行,α=0)。
3,旋转P2一周,每间隔15记录一次U值。
4,改变α角(1/4玻片与P1的夹角)为30、45。
分别旋转P2一周,每间隔15记录一次U值。
5,分别画出α=0、30、45时的0—(U-U0)极坐标图。
【数据记录及处理】
1,验证马吕斯定律。
(U0=0.244V、P2=33、U=0.437V)
旋转角度
0
15
30
45
60
75
90
105
120
U(V)
0.437
0.434
0.429
0.419
0.404
0.378
0.347
0.372
0.4
U-U0(V)
0.193
0.19
0.185
0.175
0.16
0.134
0.103
0.128
0.156
旋转角度
135
150
165
180
195
210
225
240
255
U(V)
0.418
0.428
0.433
0.434
0.432
0.428
0.428
0.419
0.403
U-U0(V)
0.174
0.184
0.189
0.19
0.188
0.184
0.184
0.175
0.159
旋转角度
270
285
300
315
330
345
360
U(V)
0.377
0.346
0.375
0.401
0.419
0.429
0.435
U-U0(V)
0.133
0.102
0.131
0.157
0.175
0.185
0.121
2,验证椭圆偏振光(含圆偏振光)。
(P1=102、P2=303)
旋转角度
0
15
30
45
60
75
90
105
120
U(V)
0.343
0.37
0.398
0.415
0.425
0.431
0.433
0.431
0.425
U-U0(V)
0.099
0.126
0.154
0.171
0.181
0.187
0.189
0.187
0.181
旋转角度
135
150
165
180
195
210
225
240
255
U(V)
0.417
0.401
0.375
0.343
0.37
0.398
0.416
0.425
0.43
U-U0(V)
0.173
0.157
0.131
0.099
0.126
0.154
0.172
0.181
0.186
旋转角度
270
285
300
315
330
345
360
U(V)
0.432
0.429
0.425
0.416
0.399
0.3373
0.343
U-U0(V)
0.188
0.185
0.181
0.172
0.155
0.129
0.099
旋转角度
0
15
30
45
60
75
90
105
120
U(V)
0.412
0.405
0.399
0.399
0.405
0.412
0.418
0.423
0.425
U-U0(V)
0.168
0.161
0.155
0.155
0.161
0.168
0.174
0.179
0.181
旋转角度
135
150
165
180
195
210
225
240
255
U(V)
0.425
0.424
0.419
0.41
0.404
0.399
0.399
0.405
0.412
U-U0(V)
0.181
0.18
0.185
0.166
0.16
0.155
0.155
0.161
0.168
旋转角度
270
285
300
315
330
345
360
U(V)
0.418
0.422
0.426
0.427
0.424
0.42
0.413
U-U0(V)
0.174
0.178
0.182
0.183
0.18
0.176
0.169
旋转角度
0
15
30
45
60
75
90
105
120
U(V)
0.417
0.419
0.417
0.416
0.415
0.413
0.413
0.413
0.413
U-U0(V)
0.173
0.175
0.173
0.172
0.171
0.169
0.169
0.169
0.169
旋转角度
135
150
165
180
195
210
225
240
255
U(V)
0.415
0.417
0.418
0.417
0.417
0.417
0.416
0.414
0.412
U-U0(V)
0.171
0.173
0.174
0.173
0.173
0.173
0.172
0.17
0.168
旋转角度
270
285
300
315
330
345
360
U(V)
0.411
0.411
0.414
0.417
0.418
0.42
0.42
U-U0(V)
0.167
0.167
0.17
0.173
0.174
0.176
0.176
【思考及讨论】
1,片用支架安置于光具座上,正交后消光,一片不动,另一片的两个表面转换180º,会有什么现象?
如有出射光,是什么原因?
答:
在转的过程中有出射光产生,且出射光的强度变化是:
由小变大,变到最大,然后逐渐减小到零。
在另一片的2个表面转180º的过程中,即两偏振片的透振方向之间的夹角α由90º变为270º,由马吕斯定律:
I=Ao²cos²α=Iocos²α 可知有出射光射出,且光强变化过程是:
增大——最大——减小——零。
(α为180º时,出射光强度最强)。
2.,两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?
答:
若插入的偏振片跟两个正交的偏振片中其中一个平行,没有出射光产生,因为插入的偏振片对光的选择没有产生影响;若插入的偏振片不跟两个正交的偏振片平行,则有出射光产生,因为透过插入的偏振片出来的光的振动方向跟插入的偏振化方向一致,跟后面的偏振片不垂直,因此有出射光产生。
3,光的偏振现象揭示了光波的什么性质?
列举几个偏振光的应用?
答:
光的偏振揭示了光的波动性。
应用:
1.在摄影镜头前加上偏振镜消除反光。
在拍摄表面光滑的物体,在拍摄时加用偏振镜,借以消除或减弱这些光滑物体表面的反光或亮斑。
2.使用偏振镜看立体电影。
3.汽车使用偏振片防止夜晚对面车灯晃眼。
4、生物的生理机能与偏振光。
沙漠中有一种蚂蚁,它能利用天空中的紫外偏光导航,因而不会迷路。
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- 偏振光 实验