大学物理实验《偏振光的观测与研究》.docx
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大学物理实验《偏振光的观测与研究》
25
第
章基础实验
实验3.8偏振光的观测与研究
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
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大学物理实验
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
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
图3-26自然光
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φ时,镜面反射光成为完
0
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)
tann
0
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。
27
第
章基础实验
(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I的线偏振光通过检偏器后,透射
0
光的强度为:
(3-52)
IIcos2
0
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
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大学物理实验
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
1
2
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
1
2
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:
29
第
章基础实验
(3-53)
2π
nnL
o
e
其中,为入射偏振光在真空中的波长,n和n分别为晶片
o
e
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):
XAsint
e
YAsint
o
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)
X
A
Y
A
2XY
2
2
2
cossin
2
AA
e
2
e
o
o
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
π
2K1
2
A=A时,为圆偏振光。
o
e
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)
π
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
π(相当于光程差为λ/4
2
2K1
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(H-N激光)而言的。
e
e
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
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大学物理实验
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,A=A获得圆偏振光。
e
o
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:
cos
A
sin
IA
2
2
2
2
1
2
图3-28
图3-29
当=时
Kπ
II
A2
max
min
1
当
π时
2
21
K
II
A2
2
则椭圆长短轴之比为
(3-55)
A
I
1
max
min
A
I
2
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第
章基础实验
椭圆长轴的方位即为的方位。
I
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
1
1
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
1
2
1
P,旋转360°,观察光屏上光斑强度的变化情况。
有几个消光方
2
位?
(3)以硅光电池代替光屏接收P出射的光束,旋转P,每
2
2
转过10°记录一次相应的光电流值,共转180°,在坐标纸上作出
I~cos2关系曲线。
0
2.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
1
1
光束重合,记下初始角。
1
(2)一面转动玻璃平板,一面同时转动起偏器P,使其透过
1
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
2
。
0
2
1
(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。
2
2
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大学物理实验
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P和检偏器P偏振轴垂直
(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
1
2
2
1
P之间插入/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光电转换器)取代光屏。
2
2
图3-30
(2)将起偏器P转过20°,调节硅光电池使透过P的光全
1
2
部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
2
置,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
1
1
30°、45°、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。
2
2
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
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第
章基础实验
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
检偏器P
的α角度值起始位置角度转至消光位置检偏器转过的
值角度值角度值
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。
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大学物理实验
【数据处理】
(1)数据表格自拟。
(2)在坐标纸上描绘出I~cos关系曲线。
2
p
(3)求出布儒斯特角
璃的相对折射率。
,并由公式(3-51)求出平板玻
0
2
1
(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P的夹角为何值时产生圆偏振光?
为什么?
/4
1
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?
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第
章基础实验
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
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大学物理实验
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(H-N)激光器。
它由激光
e
e
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
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第
章基础实验
量集中,强度较高,使用时应注意切勿迎着激光束直接用眼睛
观看。
目前,气体放电灯的供电电源广泛采用电子整流器,这种整
流器内部由开关电源电路组成,具有耗电小、使用方便等优点。
光学实验中,常把光束扩大或产生点光源以满足具体的实验
要求,图3-31和图3-32表示两种扩束的方法,它们分别提供球
面光波和平面光波。
图3-31
图3-32
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- 偏振光的观测与研究 大学物理 实验 偏振光 观测 研究