5偏振光的研究河南理工

物理实验3偏振光-１偏振光性质的研究一、实验目的1．学习和掌握各种偏振光的产生和鉴别方法。2．了解和掌握偏振片,1/4波片和1/2波片的作用。3．观察旋光物质的旋光特性。二、实验仪器WZP-1型偏振光实验仪三、实验原理1．偏振光的种类光是电磁波，它的电矢量E和磁矢量H相互垂直，且垂直于光的传播方向，通常用电矢量代表光矢量，并将光矢量和光的传播方向所构成的平面称为光的振动面，按光矢量的不同振动状态，可以把光分为五种偏振态：如矢量沿着一个固定方向振动，称线偏振光或平面偏振光；如在垂直于传播方向内，光矢量的方向是任意的，且各个方向的振幅相等，则称为自然光；如果有的方向光矢量振幅较大，有的方向振幅较小，则称为部分偏振光；如果光矢量的大小和方向随时间作周期性变化，且光矢量的末端在垂直于光传播方向的平面内的轨迹是圆或椭圆，则分别称为圆偏振光或椭圆偏振光。2．线偏振光的产生（1）偏振片它是利用某些有机化合物晶体的“二向色性”制成的，当自然光通过这种偏振片后，光矢量垂直于偏振片透振方向的分量几乎完全被吸收，光矢量平行于透振方向的分量几乎完全通过，因此透射光基本上为线偏振光。（2）反射和折射产生偏振根据布儒斯特定律，当自然光以arctgni0的入射角从空气入射至折射率为n的介质表面上时，其反射光为完全的线偏振光，振动面垂直于入射面；而透射光为部分偏振光。0i称为布儒斯特角。如果自然光以0i入射0i1n2n1n2ni图1反射光和折射光的偏振态物理实验3偏振光-２到一叠平行玻璃片堆上，则经过多次反射和折射，最后从玻璃片堆透射出来的光也接近于线偏振光。（3）波片波片是波晶片的简称,它通常是一块光轴平行于表面的单轴晶片。一束线偏振光垂直入射到波晶片后，便分解为振动方向与光轴方向平行的e光和与光轴方向垂直的o光两部分（如图2所示）。这两种光在晶体内的传播方向虽然一致，但它们在晶体内传播的速度却不相同。于是e光和o光通过波晶片后就产生固定的相位差，即lnne)(20,式中为入射光的波长，l为晶片的厚度，en和0no分别为e光和o光的主折射率。对于某种单色光，能产生相位差2/)12(k的波晶片，称为此单色光的1/4波片；能产生)12(k的晶片，称为1/2波片；能产生k2的波晶片，称为全波片。通常波片用云母片剥离成适当厚度或用石英晶体研磨成薄片。由于石英晶体是正晶体，其o光比e光的速度快，沿光轴方向振动的光（e光）传播速度慢，故光轴称为慢轴，与之垂直的方向称为快轴。对于负晶体制成的波片，光轴就是快轴。（4）线偏振光通过各种波片后偏振态的改变由图2可知一束振动方向与光轴成角的线偏振光垂直入射到波片后，会产生振动方向相互垂直的e光和o光，其E矢量大小分别为cosEEe,sinEEo，通过波片后，二者产生一附加相位差。离开波片时合成波的偏振性质，决定于相位差和。如果入射偏振光的振动方向与波片的光轴夹角为0或2，则任何波片对它都不起作用，即从波片出射的光仍为原来的线偏振光。而如果不为0或2，则通过1/2波片后，出来的仍为线偏振光，但它振动方向将旋转2，即出射光和入射光的电矢量对称于光轴；对于1/4波片，若为4，出射光为圆偏振光，若为其它值，出射光为椭圆偏振光。3．旋光现象线偏振光通过某些物质的溶液后，偏振光的振动面将旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象。旋转的角度称为该物质的旋光度。通常用旋光仪来测量物质光轴方向oEe图2波片物理实验3偏振光-３的旋光度。溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的旋光能力、溶液的性质、溶液浓度、样品管长度、温度及光的波长等有关。当其它条件均固定时，旋光度与溶液浓度C呈线性关系，即Ca式中，比例常数a与物质旋光能力、溶剂性质、样品管长度、温度及光的波长等有关，C为溶液的浓度。四、实验要求1．调节激光器轻旋激光器上调焦镜，观察白屏上光斑最小（约2～3mm）。在光路中放置一偏振片，调到0°，轻旋半导体激光头使检流计数值较大。2．折射光与反射光的偏振如图3为观察玻璃堆折射的光路图。在光路中放置载物台、玻璃堆（若观察涂黑反射镜的反射，则用涂黑反射镜替代玻璃堆）、偏振片、白屏。转动内盘使入射光以50°～60°入射，并使偏振片与折射光（或反射光）垂直。旋转偏振片，观察白屏上光斑的强弱变化，并给予解释。对涂黑射镜要求设计光路及测量其布儒斯特角。2.考察线偏振光通过λ/2波片时的现象（1）在两块偏振片之间插入21波片，旋转检偏器一周，观察现象并作出解释。（2）使起偏振器和检偏器处于正交（即处于消光现象时）状态，插入21波片并旋转使出现消光现象，沿相同方向再将其转动15度，破坏其消光。转动检偏器至消光位置，记录检偏器所转动的角度。（3）继续将21波片转15度（即总转动角为30度），记录检偏器达到消光所转图3玻璃堆的折射物理实验3偏振光-４总角度。依次使21波片总转角为45度，60度，75度，90度，记录检偏器消光时所转总角度。3.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，插入1/4波片，转动1/4波片使消光，解释此现象。（2）再将1/4波片转动5度，然后将检偏器转动一周，观察现象，并分析这时从41波片出来光的偏振状态。（3）再将1/4波片转动40度，转动检偏片，记录所观察到的现象并给出解释。4．旋光现象在光源前放入两偏振片使其正交，将装有糖溶液的旋光管放入两偏振片之间。转动检偏片使消光并解释其现象，记录旋光度（注意：是锐角）。五、思考题1.能否设计一个实验方案，把圆偏振光、自然光、圆偏振光与自然光的混合光检验出来？2.三块外形相同的偏振片、1/2波片、1/4波片被弄混了，能否把它们区分开来？需要借助什么工具？