偏振光的观测与研究~~实验报告

偏振光得观测与研究
光得干涉与衍射实验证明了光得波动性质。

本实验将进一步说明光就是横波而不就是纵波,即其E与H得振动方向就是垂直于光得传播方向得。

光得偏振性证明了光就是横波,人们通过对光得偏振性质得研究,更深刻地认识了光得传播规律与光与物质得相互作用规律。

目前偏振光得应用已遍及于工农业、医学、国防等部门。

利用偏振光装置得各种精密仪器,已为科研、工程设计、生产技术得检验等,提供了极有价值得方法。

【实验目得】
1.观察光得偏振现象,加深偏振得基本概念。

2．了解偏振光得产生与检验方法。

3.观测布儒斯特角及测定玻璃折射率。

4.观测椭圆偏振光与圆偏振光。

【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.偏振光得基本概念
按照光得电磁理论,光波就就是电磁波，它得电矢量Ｅ与磁矢量H相互垂直。

两者均垂直于光得传播方向。

从视觉与感光材料得特性上瞧,引起视觉与化学反应得就是光得电矢量,通常用电矢量E代表光得振动方向,并将电矢量E与光得传播方向所构成得平面称为光振动面。

在传播过程中,光得振动方向始终在某一确定方位得光称为平面偏振光或线偏振光,如图２（a)。

光源发射得光就是由大量原子或分子辐射构成得。

由于热运动与辐射得随机性,大量原子或分子发射得光得振动面出现在各个方向得几率就是相同得。

一般说，在１0-6ｓ内各个方向电矢量得时间平均值相等,故出现如图2(b)所示得所谓自然光。

有些光得振动面在某个特定方向出现得几率大于其她方向，即在较长时间内电矢量在某一方向较强,这就就是如图2（c)所示得所谓部分偏振光。

还有一些光,其振动面得取向与电矢量得大小随时间作有规则得变化,其电矢量末端在垂直于传播方向得平面上得移动轨迹呈椭圆(或圆形),这样得光称为椭圆偏振光（或圆偏振光),如图2(ｃ)所示。

图2 光波按偏振得分类
2.获得偏振光得常用方法
(1)非金属镜面得反射。

通常自然光在两种媒质得界面上反射与折射时，反射光与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、分别为两种介质得折射率，为相对折射率。

如果自然光从空气入射到玻璃表面而反射时,对于各种不同材料得玻璃,已知其相对折射率n 得变化范围在1、5０到1、77之间,则可得布儒斯特角约在5６0—600之间。

此方法可用来测定物质得折射率。

(２)多层玻璃片得折射。

当自然光以布儒斯特角入射到由多层平行玻璃片重叠在一起构成得玻璃片堆上时，由于在各个界面上得反射光都就是振动面垂直入射面得线偏振光,故经过多次反射后,透出来得透射光也就接近于振动方向平行于入射面得线偏振光。

(3)利用偏振片得二向色性起偏。

将非偏振光变成偏振光得过程称为起偏。

某些有机化合物晶体具有二向色性,它往往吸收某一振动方向得入射光，而与此方向垂直振动得光则能透过,从而可获得线偏振光。

利用这类材料制成得偏振片可获得较大截面积得偏振光束，但由于吸收不完全,所得得偏振光只能达到一定得偏振度。

(4)利用晶体得双折射起偏。

自然光通过各向异性得晶体时将发生双折射现象,双折射产生得寻常光(o光)与非常光(e光)均为线偏振光。

o光光矢量得振动方向垂直于自己得主截面；e光光矢量得振动方向在自己得主截面内。

方解石就是典型得天然双折射晶体,常用它制成特殊得棱镜以产生线偏振光。

利用方解石制成得沃拉斯顿棱镜能产生振动面互相垂直得两束线偏振光;用方解石胶合成得尼科耳棱镜能给出一个有固定振动面得线偏振光。

3．偏振片、波片及其作用
(1)偏振片
偏振片就是利用某些有机化合物晶体得二向色性。

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得光,而透过与此垂直方向振动得光,由于在应用时起得作用不同,用来产生偏振光得偏振片叫做起偏器；用来检验偏振光得偏振片，叫做检偏器。

按照马吕斯定律，强度为Ｉ0得线偏振光通过检偏器后,透射光得强度为：
I = I０ cos2
式中为入射偏振光得偏振方向与检偏器偏振轴之间得夹角,显然当以光线传播方向为轴转动检偏器时,透射光强度Ｉ将发生周期性变化。

当=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,透射光强介于最大与最小值之间,如图所示表示了自然光通过起偏器与检偏器得变化。

图4光波得起偏核检偏
根据透射光强度变化得情况,可以区别线偏振光、自然光与部分偏振光。

（２)波片
波片就是用单轴晶体切成得表面平行于光轴得薄片。

当线偏振光垂直射到厚度为L,表面平行于自身光轴得单轴晶片时，会产生双折射现象,寻常光(O光)与非常光（e光)沿同一方向前进,但传播得速度不同。

这两种偏振光通过晶片后,它们得相位差为:
其中, 为入射偏振光在真空中得波长，nｏ与ｎe分别为晶片对ｏ光与e光得折射率,L为晶片得厚度。

我们知道,两个互相垂直得、频率相同且有固定相位差得简谐振动，可用下列方程表示(如通过晶片后光与光得振动):
从两式中消去t,经三角运算后得到合振动得方程式为
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。

在某一波长得线偏振光垂直入射到晶片得情况下,能使o光与e光产生相位差(相当于光程差为得奇数倍)得晶片,称为对应于该单色光得二分之一波片(１/2波片)或波片；与此相似，能使o光与ｅ光产生相位差(相当于光程差为得奇数倍)得晶片,称为四分之一波片(1／４波片)或波片。

本实验中所用波片（)就是对( 激光）而言得。

如图5所示,当振幅为A得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光与e光得振幅分别为Ａ与A ，所以通过1/４波片合成得偏振状态也随角度得变化而不同。

图5
1当= 时,获得振动方向平行于光轴得线偏振光(e光)。

2当= /4时,获得振动方向垂直于光轴得线偏振光(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与圆偏振光。

【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) 在光源至光屏得光路上插入起偏器P1,旋转Ｐ1,观察光屏上光斑强度得变化情况。

(2) 在起偏器P1后面再插入检偏器P2。

固定P1得方位,旋转P2，旋转36０0，观察光屏上光斑强度得变化情况。

有几个消光方位？
(3）以硅光电池代替光屏接收P2出射得光束,旋转P2，记录相应得光电流值,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,插入测布儒斯特角得装置,再在P１与装置之间插入一个带小孔得光屏。

调节玻璃平板,使反射得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,此时记下玻璃平板得角度,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得位置上,去掉起偏器Ｐ１，在反射光束插入检偏器P2,转P2,观察反射光得偏振状态。

3.观察椭圆偏振光与圆偏振光
（1) 先使起偏器Ｐ1与检偏器Ｐ２得偏振轴垂直(即检偏器Ｐ2后得光屏上处于消光状态),在起偏器P1与检偏器P2之间插入１/４波片,转动波片使P2后得光屏上仍处于消光状态(此时= ）。

（2) 从=得位置开始,使检偏器P2转动,这时可以从屏上光强得变化瞧到经过1/4波片后
得光为线偏振光。

(３) 取=900，使检偏器P2转动,这时也可以从屏上光强得变化瞧到经过1/4波片后得光为线偏振光。

其振动面与= 时得振动面垂直。

(４) 取为除00与900外得其她值,观察转动P2时屏上光强得变化,其结果与椭圆偏振光对应。

特别就是当=450时,P2转动时屏上光强几乎不变,这便就是圆偏振光对应得状态。

【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
表2玻璃折射率得测定与计算
【思考题】
1. 偏振光得获得方法有哪几种?
2. 通过起偏与检偏得观测,您应当怎样判别自然光与偏振光?
3. 什么就是马吕斯定律？本实验如何验证此定律？
４. 玻璃平板在布儒斯特角得位置上时，反射光束就是什么偏振光?它得振动就是在平行于入射面内还就是在垂直于入射面内?。