偏振与双折射

提纲实验目的实验原理实验仪器实验内容思考题实验目的观察与了解光在各向异性晶体中传播时产生的双折射现象和规律观察光的偏振现象，加深对其规律认识了解产生和检验偏振光的器件及仪器掌握一些光的偏振态的鉴别方法和测试技术实验原理自然光与偏振光双折射现象二向色性偏振光的检验波片——位相延迟器椭圆偏振光通过检偏器的光强自然光与偏振光自然光：光矢量在垂直于传播方向上的各向分布几率相等；线偏振光（平面偏振光）：光矢量方向不变，大小随相位变化，在垂直于光波传播方向的平面上光矢量端点轨迹是一直线；圆偏振光（或椭圆偏振光）：光矢量是随时间作有规律的改变，光矢量的末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹是圆（或者椭圆）；部分偏振光：介于偏振光和自然光之间。当一束光入射到光学各向异性的介质时，折射光往往有两束，这种现象称为双折射双折射现象图1冰洲石的双折射现象光在某些晶体中传播时，晶体对o光和e光的吸收是不一样的，此特性称为二向色性。利用这一性质可以用来产生线偏振光二向色性图2二向色性起偏器：将自然光变为偏振光的器件；检偏器：用于检验偏振光的器件。偏振光的检验若线偏振光之光矢量A与主平面的夹角为θ，如图3所示，用矢量分解法，我们可以得到o光和e光的电矢量Ao和Ae（注意：起偏器和检偏器都可以由偏振片来制作）：图3马吕斯定律o光和e光之光强分别为0sincoseAAAA22022sincoseIAIA检验：两个偏振片的透光轴夹角为θ，自然光垂直入射。通过起偏器后，变为线偏振光，其振幅为A。通过检偏器后，仍然为线偏振光，但其偏振面转过了θ角，其振幅为Ae（随θ变）图4偏振光检验波片：由双折射晶体制成的平板状光学元件，其光轴平行于表面，也称位相延迟器。波片——位相延迟器如图5所示，一平面偏振光垂直入射，光矢量A向上，与光轴夹角为θ。则入射光在晶片表面即分解为o光和e光，均沿原方向传播。在晶片中，其传播速度是不同的。因此o光和e光通过晶片的时间可表示为：图5波片oeoeddttvv和这样二光线通过晶片就会有一个时间差，进而导致光程差，其对应的位相差可表示为：由上式我们可以将波片分类如下：2/4()/4()22/2()/2()2()()2oeoeoeoeoeoenndnndnndnndnndnnd波片或波片或全波片或22()()oeoeccddnnvv＝椭圆偏振光的得到：光通过起偏器后成为线偏振光。λ/4波片的光轴与起偏器的光轴夹角只要不是、、。则此线偏振光通过波片C后就是椭圆偏振光。椭圆偏振光通过检偏器的光强P1、P2和λ/4波片C之光轴如图6分布。经过P1后得到的线偏振光的光矢量振幅为A，在波片入射面上将被分解为e光和o光，则:图6光矢量分解图0sincoseAAAA04590Ae、Ao通过λ/4波片C后将产生一位相差通过C之后的Ae、Ao只有与P2通光面平行之分量Aee，Aoe才能通过P2，故有：考虑到Aee与Aoe有一恒定位相差，因此它们能够产生干涉现象，合成后的光矢量A2为：coscoscossinsinsineeeoeoAAAAAA0.51.52222coseeoeeeoeAAAAA222222222222(coscossinsin2cossincossincos)(coscossinsin)IAAA实验仪器本实验在防震光学平台上进行。重要仪器和器材有：激光器、偏振光实验系统、光电信号检测仪。偏振光实验系统中的各种光学器件如：冰洲石（亦名方解石，为负单轴晶体），定光轴冰洲石，起偏器，检偏器，可调分束角棱镜（用来观察光的分束现象）,1/2波片、1/4波片,托架。实验内容观察光学各向异性晶体中的双折射现象观察o、e双输出的偏振态，可调分束角光强I与（两偏振器的）夹角θ的关系判别λ/4波片与λ/2波片偏振光态势变换观测椭圆偏振光通过检偏器的光强研究透过两偏振器后的光强I与它们透光轴间夹角θ的关系光强I与（两偏振器的）夹角θ的关系1）将激光束，偏振棱镜调至等高、同轴；2）转动检偏器P2使其与起偏器P1透光轴方向平行，此时光检测器示值最大。在两偏振器透光轴夹角θ分别为，，，，，，，，，，时，测量透射光强I。用极坐标作I－θ曲线，用直角坐标纸作I－曲线，并作分析。0102cos305070808560204090判别λ/4波片与λ/2波片在正交偏振器光路中，分别插入λ/4波片和λ/2波片，首先转动波片使屏幕上仍然变黑。再转动波片，若为λ/4波片，则通过波片后为圆偏振光。转动检偏器，光屏上亮斑亮度不变。若为λ/2波片，则通过波片后仍然是线偏振光，但振动面转过，光屏上显示为亮斑，若将检偏器转动，则光屏变黑（为什么）。90提示操作过程：平面偏振光变换为圆偏振光、椭圆偏振光。圆偏振光、椭圆偏振光变换为平面偏振光。偏振光态势变换操作提示：承接判别λ/4波片与λ/2波片的实验内容，考虑到λ/4波片的特点1）将激光束，λ/4波片，偏振棱镜调至等高、同轴，光路如图7所示观测椭圆偏振光通过检偏器的光强3）插入λ/4波片C，转动C，使C与P1、P2中的一个偏振器通光面平行。缓慢转动C一周，观测C的光轴与P1（或P2）透光轴夹角改变时光强变化图7椭圆偏振光检测2）转动P2，将P1、P2调至正交，光屏上无光斑5）转动P2一周，先观察探测器反映的光强变化；确定光强的极大值和极小值（即椭圆的长轴和短轴）位置。然后以极大值处为起始点（）。测量之关系。每测量1个点。用极坐标作曲线，并分析实验结果。I015I4）将λ/4波片C置于正交偏振器P1、P2中，使C光轴与P1透光轴平行，光屏上应消光（可略为转动C观察），转动波片C，使，此时椭圆长轴方向就在1/4波片C的光轴上了（为什么）30思考题怎么用实验方法来区分自然光、圆偏振光、椭圆偏振光、部分偏振光、线偏振光？求在下列情形下理想的起偏器和检偏器之间的夹角为多少？（1）透射光是入射自然光强度的1/3；（2）透射光是最大透射光强度的1/3。试分析能不能用一个已知光轴的λ/2波片来确定另一个λ/2波片或者λ/4波片之光轴？