偏振光的观测与研究实验报告.docx
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偏振光的观测与研究实验报告
偏振光的观测与研究--实验报告
偏振光的观测与研究
光的干涉和衍射实验证明了光的波动性质。
本实验将进一步说明光是横波而不是纵波，即其E和H 的振动方向是垂直于光的传播方向的。
光的偏振性证明了光是横波，人们通过对光的偏振性质的研究，更深刻地认识了光的传播规律和光与物质的相互作用规律。
目前偏振光的应用已遍及于工农业、医学、国防等部门。
利用偏振光装置的各种精密仪器，已为科研、工程设计、生产技术的检验等，提供了极有价值的方法。
【实验目的】
1．观察光的偏振现象，加深偏振的基本概念。
2．了解偏振光的产生和检验方法。
3．观测布儒斯特角及测定玻璃折射率。
4．观测椭圆偏振光和圆偏振光。
【实验仪器】
光具座、激光器、偏振片、1/4波片、1/2波片、光电转换装置、光点检流计、观测布儒斯特角装置
图1实验仪器实物图
【实验原理】
1．偏振光的基本概念
按照光的电磁理论，光波就是电磁波，它的电矢量E和磁矢量H相互垂直。
两者均垂直于光的传播方向。
从视觉和感光材料的特性上看，引起视觉和化学反应的是光的电矢量，通常用电矢量E代表光的振动方向，并将电矢量E和光的传播方向所构成的平面称为光振动面。
在传播过程中，光的振动方向始终在某一确定方位的光称为平面偏振光或线偏振光，如图2（a）。
光源发射的光是由大量原子或分子辐射构成的。
由于热运动和辐射的随机性，大量原子或分子发射的光的振动面出现在各个方向的几率是相同的。
一般说，在10－6s内各个方向电矢量的时间平均值相等，故出现如图2（b）所示的所谓自然光。
有些光的振动面在某个特定方向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较强，这就是如图2（c）所示的所谓部分偏振光。
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则的变化，其电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的移动轨迹呈椭圆（或圆形），这样的光称为椭圆偏振光（或圆偏振光），如图2（c）所示。
图2光波按偏振的分类
2．获得偏振光的常用方法
（1）非金属镜面的反射。
通常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。
并且当入射角增大到某一特定值时，镜面反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于入射面，如图3所示，这时入射角称为布儒斯特角，也称为起偏角。
由布儒斯特定律得：
其中、分别为两种介质的折射率，为相对折射率。
时，透射光强最大；当=90时，透射光强为极小值（消光状态），当<<90时，透射光强介于最大和最小值之间，如图所示表示了自然光通过起偏器与检偏器的变化。
图4光波的起偏核检偏
根据透射光强度变化的情况，可以区别线偏振光、自然光和部分偏振光。
（2）波片
波片是用单轴晶体切成的表面平行于光轴的薄片。
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，会产生双折射现象，寻常光（O光）和非常光（e光）沿同一方向前进，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：
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光和e光的折射率，L为晶片的厚度。
我们知道，两个互相垂直的、频率相同且有固定相位差的简谐振动，可用下列方程表示（如通过晶片后光和光的振动）：
从两式中消去t，经三角运算后得到合振动的方程式为
由此式可知，
1当时，，为线偏振光。
2当时，，为正椭圆偏振光。
在=时，为圆偏振光。
3当为其它值时，为椭圆偏振光。
在某一波长的线偏振光垂直入射到晶片的情况下，能使o光和e光产生相位差（相当于光程差为的奇数倍）的晶片，称为对应于该单色光的二分之一波片（1/2波片）或波片；与此相似，能使o光和e光产生相位差（相当于光程差为的奇数倍）的晶片，称为四分之一波片（1/4波片）或波片。
本实验中所用波片（）是对（激光）而言的。
如图5所示，当振幅为A的线偏振光垂直入射到1/4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A和A，所以通过1/4波片合成的偏振状态也随角度的变化而不同。
图5
1当=时，获得振动方向平行于光轴的线偏振光（e光）。
2当=/4时，获得振动方向垂直于光轴的线偏振光（o光）。
3当=/2时，Ae=Ao获得圆偏振光。
4当为其它值时，经过1/4波片后为椭圆偏振光。
所以，可以用1/4波片获得椭圆偏振光和圆偏振光。
【实验内容与步骤】
1．起偏与检偏鉴别自然光与偏振光，验证马吕斯定律。
（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的方位,旋转P2 ，旋转3600，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，记录相应的光电流值，共转900，在坐标纸上作出I~cos2θ关系曲线。
2．观测布儒斯特及测定玻璃折射率
（1） 在起偏器P1后，插入测布儒斯特角的装置，再在P1和装置之间插入一个带小孔的光屏。
调节玻璃平板，使反射的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） 把玻璃平板固定在平儒斯特角的位置上，去掉起偏器P1，在反射光束插入检偏器P2，转P2，观察反射光的偏振状态。
3．观察椭圆偏振光和圆偏振光
（1） 先使起偏器P1和检偏器P2的偏振轴垂直（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1/4波片，转动波片使P2后的光屏上仍处于消光状态（此时=）。
（2） 从=的位置开始，使检偏器P2转动，这时可以从屏上光强的变化看到经过1/4波片后的光为线偏振光。
（3） 取=900，使检偏器P2转动，这时也可以从屏上光强的变化看到经过1/4波片后的光为线偏振光。
其振动面与=时的振动面垂直。
（4） 取为除00和900外的其他值，观察转动P2时屏上光强的变化，其结果与椭圆偏振光对应。
特别是当=450时，P2转动时屏上光强几乎不变，这便是圆偏振光对应的状态。
【注意事项】
1、实验中各元件不能用手摸，实验完毕后按规定位置放置好。
2、不要让激光束直接照射或反射到人眼内。
【数据记录及处理】
表1马吕斯定律验证实验
P1与P2偏振化方向夹角
光电流的读数I（）
实验I/I0
理论I/I0=cos2
第一次
第二次
第三次
00
1.00
300
0.75
450
0.50
600
0.25
900
0.00
表2 玻璃折射率的测定与计算
次数
玻璃平板的角位置
布儒斯特角
玻璃折射率n=tg
光垂直入射时
反射光消光时
１
２
３
【思考题】
1． 偏振光的获得方法有哪几种？
2． 通过起偏和检偏的观测，你应当怎样判别自然光和偏振光？
3． 什么是马吕斯定律？
本实验如何验证此定律？
4． 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？
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