吉林大学大学物理实验实验217偏振光的研究

实验2.17偏振光的研究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。一、实验目的1、观察和理解光的偏振现象。2、掌握产生和检验偏振光的方法。3、验证马吕斯定律和布鲁斯特定律。4、用1/4波片产生并检验椭圆偏振光和圆偏振光。二、实验原理由于光波是横波，所以光矢量总是与光的传播方向垂直。在与传播方向垂直的平面内，光矢量可能有各种不同的振动状态，我们称之为光的偏振态。最常见的光的偏振态有：自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。1.马吕斯定律从自然光获得偏振光的过程叫起偏。起偏的最简单方法是让自然光通过一块偏振片，其透过的光就成为线偏振光，这块偏振片叫起偏器。使用另一块偏振片来检验偏振光，用来检验偏振光的装置称为检偏器。如果检偏器的偏振化方向与起偏器的偏振化方向相同，则透过的光强最大。如果把检偏器转过90º，则透射光强为零。对于检偏器与起偏器的偏振化方向的夹角为任意角度，若入射到检偏器上的线偏振光强度为I0，出射的光强为I，由于光强与振幅平方成正比，透射光强为220200cos)cos(AAII或者写成I=I0cos2(2.17-1)上式为马吕斯定律。2布儒斯特定律自然光在两种各向同性介质的分界面上反射和折射时，反射光和折射光都成为部分偏振光，不过反射光中垂直于入射面的振动(简称垂直振动)较强；而折射光中平行于入射面的振动(简称平行振动)较强。如图2.17-1所示。当入射角等于某一特定值i0时，反射光是光振动垂直于入射面的线偏振图2.17-1自然光反射和折射后产生部分偏振光图2.17-2起偏振角光，如图2.17-2所示。这个特定的入射角i0叫做布儒斯特角。并且21120tannnni(2.17-2)式中,n21=n2/n1为介质2对介质1的相对折射率。这一规律称为布儒斯特定律。3.波片表面与光轴平行的晶体薄片称为波片，波片通常是用方解石或石英等单轴晶体按需要的厚度切割而成的。当平行光垂直入射晶面时，从波片射出的e光和o光不会分开，但两者有一定的相位差。设波片的厚度为d，e光和o光的主折射率分别为ne和n0，则两光束从波片射出后的相位差可表示为dnne)(20（2.17-3）由此可见，改变波片的厚度d，可以获得两光束之间的不同相位差。若波片的厚度d使o光和e光产生2的相位差，此波片称为该波长的1/4波片。同样，若波片的厚度d使o光和e光产生的相位差，此波片称为该波长的1/2波片或半波片。椭圆偏振光和圆偏振光可以看成是两个相互垂直的线偏振光的合成。这两个相互垂直的线偏振光可表示为)cos(cos21tAEtAEyx（2.17-4）式中0、。分析表明：当sin0时，迎着光的传播方向观察，光矢量端点沿顺时针方向旋转，称为右旋椭圆偏振光。当sin0时，迎着光的传播方向观察，光矢量的端点沿逆时针方向旋转，称为左旋椭圆偏振光。当=0，时，椭圆偏振光退化为线偏振光。如果A1=A2，当2时，对应于右旋圆偏振光，当2时，对应于左旋圆偏振光。反过来，对于线偏振光，由于它可以分解为分别沿o光、e光方向，相位相同的两个线振动，若经过1/4波片后，这两个振动相位差为2，所以多数情形下出射的是椭圆偏振光，在特殊情形下也可能是圆偏振光或线偏振光。三、实验仪器实验仪器包括：半导体激光器，起偏器，检偏器，1/2，1/4波片，光电探测器，检流计等，上述实验部件均可放置在两只可以旋转的支臂上，样品放置在旋转载物台上。旋转载物台和支臂可单独旋转也可联动。光源为半导体激光器，波长650nm。起偏器和检偏器为格兰棱镜。检测用样品为有机玻璃板。四、实验内容与要求1.验证马吕斯定律（1）将半导体激光器放置于支臂的一端，使支臂和读数外圆盘固定。调整激光光束的出射方向，使之平行于该支臂。利用自准法，调整载物台中心轴垂直于入射光。（2）依次放置起偏器、检偏器和光电探测器。调整各光学元件同轴等高。旋转起偏器使检流计示数为最小值。（3）旋转检偏器，使起偏器与检偏器偏振化方向之间的夹角分别为ooooo90和60,45,30,0时，记录输出光强I。自拟表格并记录数据。2.根据布鲁斯特定律，测定有机玻璃样品的折射率（1）去掉检偏器，将光电探测器移至另一支臂上。将待测有机玻璃样品放置在载物台上，使样品反射面中央部分恰好位于载物台的旋转中心。实验光路图如图2.17-3所示。（2）调整样品使入射角在oo60和50之间，旋转起偏器，找到输出光强最小的位置。此时入射到样品表面的偏振光振动方向恰好平行于入射面（P分量）。（3）旋转载物台，改变入射角，同时旋转动臂，由光电探测器测量反射光强度。入射角由o10开始每隔oo10或5读一次光强I值，直到入射角为o85止。在布鲁斯特角附近应多测几组数据。自拟表格并记录数据。3.（选做内容）椭圆、圆偏振光的获得与检验（1）在起偏器与检偏器中间置入1/2波片，改变检偏器的方位，光电流示值的变化将反映出经过1/2波片的出射光仍为平面偏振光，但振动方向与1/2波片的方位相关。旋转检偏器进行检验，观察并记录光强的变化规律。（2）在起偏器与检偏器之间置入1/4波片，出射光为椭圆偏振光，当1/4波片光轴与入射偏振平面夹角为45°时，出射光变为圆偏振光。旋转检偏器，观察并记录光强的变化规律。五、数据处理1.根据实验内容1实测结果，用坐标纸做出I～2cos曲线，验证马吕斯定律。2.根据实验内容2实测结果，绘出logI～曲线，确定布鲁斯特角，并根据布鲁斯特定律算出折射率。3.记录实验内容3的结果（选做内容）。六、思考题1、有四束光它们的偏振态分别是:线偏振、光圆偏振光、椭圆偏振光和自然光怎样鉴别它们？2、本实验中的偏振片，其透光轴方向均未标定，你能确定它们的透光轴方向吗？图2.17-3测定有机玻璃样品的折射率光路图偏振光的观察与分析一、He_Ne激光束通过起偏器P1变成线偏振光，旋转第二个偏振片P2，同时观察光屏上强度变化情况，当光屏最暗时，固定检偏器，此时，起偏器的偏振轴与检偏器的偏振轴相互垂直。二、平面偏振光通过λ/2波片的情况：（1）使起偏器P1和偏振片P2偏振轴正交，此时出现消光现象，在两块偏振片之间插入λ/2波片W，使W绕水平轴转动360度，同时观察光屏C上发生消光现象的次数并作出解释。解释：四次，起偏器和检偏器本来就处于正交状态，插入了1/2波片，使正交这个状态经过360度时增加到了4次，所以消光四次。（2）将λ/2波片旋转任意角度，这时消光现象被破坏。把检偏器旋转360度，观察到什么现象？由此说明通过λ/2波片波片后，光的偏振状态如何变化？解释：消光两次，因为入射光是线偏振光，二分之一波片可以将偏振旋转0到360度，当过波片后的偏振与检偏器允许的方向垂直时可消光。三、用1/4波片产生圆偏振光和椭圆偏振光（1）使起偏器和检偏器正交，用λ/4波片代替λ/2波片，转动λ/4波片使消光。（2）再将λ/4波片转动15度，然后将检偏器转动360度，观察现象，并分析这时从λ/4波片出来光的偏振状态是怎样？（3）依次将λ/4波片转动30，45，60，75，90度，每次将检偏器转动，记录所观察到的现象。λ/4波片转动的角度检偏器转动360度观察到的现象光的偏振性质15度从明到暗，从暗到明，不会消光椭圆偏振光30度从明到暗，从暗到明，不会消光椭圆偏振光45度无变化圆偏振光60度从明到暗，从暗到明，不会消光椭圆偏振光75度从明到暗，从暗到明，不会消光椭圆偏振光90度从明到暗，从暗到明，会消光线偏振光