实验十 偏振光的观察与研究

实验十 偏振光的观察与研究
实验目的
1．观察光的偏振现象，加深对偏振光的理解。 2．掌握产生和检验偏振光的原理和方法。
实验仪器
氦氖激光器，偏振片(或尼科耳棱镜)，半波片， 1/4 波片，硅光电池，灵 敏电流汁，减光板，玻璃片。
实验原理
能使自然光变成偏振光的装置或器件称为起偏器。用来检验偏振光的装置或 器件称为检偏器。实际上，能产生偏振光的器件，同样可用作检偏器。 1．平面偏振光的产生 （1）由反射和折射产生偏振
3．平面偏振光通过检偏器后光强的变化
强度为 I o 的平面偏振光通过检偏器后的光强 I o 为
Iθ = I o cos2 θ
（10-2）
其中θ 为平面偏振光偏振面和检偏器主截面的夹角，上述关系称为马吕斯(Malus)
定律，它表示改变角θ 可以改变透过检偏器的光强。
当起偏器和检偏器的取向使得通过的光量最大时，称它们为平行(此时θ = 0 )。
时，则为圆偏振光；当α = 0 和π / 2 时，椭圆偏振光退化为平面偏振光。换言之，
l／4 波片可将平面偏振光变成椭圆或圆偏振光，也可将椭圆与圆偏振光变成平
面偏振光。
(2)如果晶片的厚度使产生的位相差δ = (2k + 1)π (k = 0,1,2...) ，这样的晶片称为半
波片。若入射平面偏振光的振动面与半波片光轴的夹角为α ，则通过半波片后的 光仍为平面偏振光，但其振动面相对于入射光的振动面转过 2α 角。
当两者的取向使得系统射出的光量最小时，称它们为正交(此时θ = 90o )
4．单色平面偏振光的干涉
如图 10-4(a)所示，一束自然光经起偏器(尼科耳棱镜或偏振片) N1 后，变成
振幅为 A 的平面偏振光，再通过晶片 K，射到检偏器 N 2 上。图 10-4(b)表示透 过 N 2 迎着光线观察到的振动情况，其中 N1截面、N 2截面 及 ZZ ' 分别表示起偏
化。记录波片光轴相对 N1 主截面的夹角α ，以及转动 N2 光强极大、极小时主截 面与波片光轴的夹角 β ，α 取不同值重复观测。
(3) 使用 N1 和 1／4 波片产生圆偏振光，旋转 N2 进行观测并记录。
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思考题
1、强度为
I
的自然光通过偏振片后，其强度
Io
<
1 2
I
，为什么?应用偏振片时，
马吕斯定律是否适用，为什么?
2．圆偏振光和椭圆偏振光的产生 如图 41-3 所示，当振幅为 A 的平面偏振光垂直入射到表面平行于光轴的双
折射晶片时，若振动方向与晶片光轴的夹角为α ，则在晶片表面上 o 光和 e 光的 振幅分别为 Asinα 和 Acosα ，它们的位相相同。在晶片中，o 光与 e 光传播方向 相同，由于传播速度不同，经过厚度为 d 的晶片后，o 光与 e 光之间将产生位相 差δ ：
2 Aoe Aee
cos δ
=
I1[cos2 (α
−
β)
−
sin 2α
sin 2β
sin 2
δ 2
（10-5）
式中 I1 = A2 ，它是从起偏器 N1 透射的平面偏振光的光强，从上式可以看出：
(1) 当α (或β）= 0，π ，或π 时， 2
I 2 = I1 cos 2 (α − β )
（10-6）
δ
=
2π λο
(nο
− ne )d
（ 10-1）
其中 λo 表示光在真空中的波长， no, ne 分别为晶体中 o 光与 e 光的折射率。
(1) 如果晶片的厚度使产生的位相差δ = 1 (2k + 1)π (k = 0,1,2...) ，这样的晶片称 2
为 1／4 波片．平面偏振光通过 1／4 波片后，透射光一般是椭圆偏振光，当α = π 4
器的主截面、检偏器的主截面和晶片的光轴在同一平面上的投影，α 和 β 分别为
N1N 2 的主截面与晶片的光轴 ZZ ' 的夹角．从晶片透过的两平面偏振光的振幅分 别为:
Ao = A sin α , Ae = A cosα
（10-3）
它们的位相差为δ 。穿过 N 2 后，只存在振动平面平行于 N 2 主截面的分量 Aoe 和
即透射光强只与 N1N2 两主截面的交角的余弦平方成正比，和没有晶片时一样。
(2)
当 N1N 2 正交时， (α
− β ) = π ，则 2
I2
=
I1
sin 2
2α
sin 2
δ 2
（10-7）
如果晶片是半波片，则 δ
=π
，当 α
等于 π 4
的奇数倍时，I 2
=
I1 ，即有光透过
N2，
发生相长干涉；当 α
等于
π 4
的偶数倍时， I 2
=
0
，无光透过，发生相消干涉。由
此可见，当半波片旋转一周时，视场内将出现四次消光现象。
(3)当 N1与N 2 平行时， (α − β ) = 0 ，于是有
I2
=
I1 (1 −
sin 2
2α
sin 2
δ) 2
可以看出，这时透过的光强恰与 N1, N2 正交时互补。
（10-8）
2、怎样才能产生左旋(右旋)椭圆偏振光?
(2)使 N1, N2 正交，半波片的光轴和 N1 的主截面成α (10o～15o)角，转 N2 使之 再消光，记录 N2 位置．改变角，每次增加 10o～15o，同上测量直至α 等于 90o。
4．椭圆偏振光、圆偏振光的产生与检验 实验装置同上，将半波片换成 1／4 波片。 (1) 使 N1, N2 正交，以光线方向为轴将波片转 360o，记录观察到的现象。 (2) 使用起偏器 N1 和 1／4 波片产生椭圆偏振光，旋转检偏器 N2 观察光强的变
Aee ，其大小为
Aoe = Ao sin β = A sin α sin β Aee = Ae cos β = A cosα cos β
（10-4）
图4 可见这两束光是同频率、不等振幅、振动平面在同一平面内的相干光。因此，透 射光的光强 (按双光束干涉的光强计算方法)为
I2
=
Ao2e
+
Ae2e
+
自然光在透明介质(如玻璃)L 反射或折射时，其反射光和折射光为部分偏振 光，当入射角为布儒斯特角(即：入射角满足 tan i = n ， n 为透明介质折射率)时 反射光接近于完全偏振光．其偏振面垂直于入射面。
(2) 由二向色性晶体的选择吸收产生偏振.有些晶体(如电气石、人造偏振片) 对两个相互垂直振动矢量具有不同的吸收本领，称为二向色性．当自然光通过二 向色性晶体时，其中一部分的振动几乎被完全吸收，而另一部分的振动几乎没有 损失(图 10-1)，因此，透射光就成为平面偏振光．利用偏振片可以获得截面较 宽的偏振光束，而且造价低廉，使用方便．但偏振片的缺点是有颜色，光透过率 稍低。 (3) 由晶体双折射产生偏振 当自然光入射于某些各向异性晶体时，在晶体内折射后分解为两束平面偏振光(o 光、e 光)，并以不同的速度在晶体内传播，可用某一方法使两束光分开，除去 其中—束，剩余的—束就是平面偏振光。尼科耳(Nicol)棱镜是这类元件之一(图 10-2)。它由两块经特殊切割的方解石晶体用加拿大树胶粘合而成。偏振面平行 于晶体的主截面的偏振光可以透过尼科耳棱镜。垂直于主截面的偏振光在胶层上 发生全反射而被除掉。
实验内容
1、偏振片主截面的确定如图 5 所示，将一背面涂黑的玻璃片 G 立在铅直面内， 激光器 L 射出的一细光束沿水平方向入射玻璃片上，G 的反射光为偏振面垂直于 入射面的平面偏振光，使 G 的反射光垂直射入偏振片 N，以反射光的方向为轴旋 转偏振片 N，从透过光强度的变化和反射光的偏振面，可以确定偏振片的主截面， 即透过光强极大时偏振片的主截面和反射光的偏振面一致．并 在偏振片上标记其主截画的方向。
2、验证马吕斯定律 如图 6 安置仪器，使激光器 L 射出的光束，穿过起偏器 N1 和检偏器 N2 射到硅光 电池 Pc 上，使 N1, N2 正交，记录灵敏电流计 G 的示值．将偏振器每转一角度(10o～ 15o)记录一次．直至转动 90o 为止。重复以上过程几次。 3、考察半波片对偏振光的影响 (1) 使用图 41-6 的装置，调节 N1, N2 为正交，在 N1, N2 间和 N1 平行放置半波片， 以光线方向为轴将波片转 360o，记录出现消光的次数和相对应于 N2 的位置(角 度)。