西安交大大物实验偏振光2

偏振光II

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一、实验目的：

本实验主要是利用起偏、检偏元件及光电探测器要求学生：

1．学习掌握偏振光的基本原理、学会用格兰棱镜获得偏振光及检验偏振光的一

般方法。

2．根据马吕斯定律验证硅光电池的线性响应。

3．利用布儒斯特定律测量介质的折射率

二、实验原理：

偏振光原理：

按电磁波理论,光是横波，它的振动方向和光的传播方向垂直.实际中最常见

的光的偏振态大体为五种，即自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏娠光和椭圆

偏振光．

1. 自然光是各方向的振幅相同的光。对自然光而言，它的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内可取所有可能的方向，没有一个方向占有优势.若把所有方向的光振动都分解到相互垂直的两个方向上，则在这两个方向上的振动能量和振幅都相等。

2．线偏振光是在垂直于传播方向的平面内，

光矢量只沿一个方向振动。起偏器是将非偏振

光变成线偏振光的器件；检偏器是用于鉴别光

的偏振光状态的器件。常见的起偏或检偏的元

件构成有两种：偏振片：它是利用聚乙烯醇塑

胶膜制成，它具有梳状长链形结构分子，这些

分子平行排列在同一方向上，此时胶膜只允许

垂直于排列方向的光振动通过，因而产生线偏振光.

光学棱镜：如尼科耳棱镜、格兰棱镜等，它是利用光学双折射的原理制成的；

3．部分偏振光：

除了自然光和线偏振光外，还有一种偏振

状态介于两者之间的光．如果用偏振片去检验

这种光的时候，随着检偏器透光方向的转动，

透射光的强度既不象自然光那样不变，又不象

线偏振光那样每转90o。交替出现强度极大和

消光．其强度每转90o也交替出现极大和极小，

但强度的极小不是0(即不消光)。从内部结构

看，这种光的振动虽然也是各方向都有，但不

同方向的振幅大小不同，具有这种特点的光，

叫做部分偏损光

4．圆偏振光

如的光矢量在波面内运动的特点是

其瞬时值的大小不变，方向以角速度

(即波的圆频率)匀速旋转，这种光叫做

圆偏振光．圆偏振光可看成是两个相互垂

直的线偏振光的合成（如图所示）

电矢量表达式为：

我们假定波是沿z轴传播的，在图中

它垂直纸面迎面而系．这时若电矢量按逆

时针方向旋转，我们称为左旋圆偏振光。

若顺时针旋转，称为右旋圆偏振光。

5．椭圆偏振光

电矢量的端点在波面内描绘的轨迹为一椭圆的光，叫椭圆偏振光。椭圆运动也可

看成是两个相互垂直的线偏振光的合成，只是它们的振幅不等，或位相差不等于±π/2。

椭圆长、短轴的大小和取向，与振幅Ax, Ay和位相差都有关系。可以看出线偏振光和圆偏振光都是椭圆偏振光的特例，常用波晶片把椭圆偏振光转换为线偏振光。

椭圆偏振光退化为圆偏振光的条件是：Ax ＝ Ay 和＝±π/2。

椭圆偏振光退化为线偏振光的条件是：Ax ＝ 0，或Ay ＝ 0，或＝0，±π。

椭圆偏振光也有左、右旋之分，其定义与前面圆偏振光的定义相同。

波晶片：又称位相延迟片，是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，由于波晶片内的速度vo,ve不同，所以造成o光和e光通过波晶片的光程也不同.当两光束通过波晶片后o光的位相相对于e光多延迟了Δ=2π(n0-n1)d/λ，若满足(ne-no)d=±λ/4，即Δ=±π/2我们称之为λ/4片，若满足(ne-no)d=±λ/2，

即Δ=±π，我们称之为λ/2片，若满足(ne-no)d=±λ，即Δ=2π我们称之为全波片。

布儒斯特定律：

自然光以任意入射角i入射于两种各向同性的透明介质的分界面商。一般情况下，反射光和入射光分别是部分偏振光，垂直于入射面振荡的电矢量在反射光中占主要地位。在入射面上振荡的电矢量在折射光中占主要地位。有一特殊入射

角b,当i = b 时，反射光线垂直于折射光线(i + b = π/2)，

反射光变成完全偏振

光。该现象最早在

1815年为布儒斯特所

发现，我们称之为布

儒斯特定律，b叫

做布儒斯特角，满足

下列方程：

其中n1，n2是相邻两种

媒质的折射率。

本实验用来获得

偏振光的仪器叫做格

兰棱镜。格兰棱镜是

由两面三块方解石棱

镜构成的，二棱镜间

的空气隙，方解石的

光轴平行于棱镜的

棱。自然光垂直于界面射入棱镜后分为o光和e光，o光在空气隙上全反射，只有e光透过棱镜射出。

马吕斯定律：

马吕斯在1809年发现，完全线偏振光通过检偏器后的光强可表示为I

1 = I

cos2α，其中的a是检偏器的偏振方向和入射线偏振光的光矢量振动方向的夹角：

本次实验中我们用两块格兰棱镜充当起偏器和检偏器，通过硅光电池的响应电流检测偏光强度的方法来验证马吕斯定律。

三、实验仪器及使用方法：

半导体激光器，起偏器，检偏器，1/4波片，光电探测器，光电探测器台，光电流放大器，光屏，光具座。

半导体激光器:波长为650nm，出射光为部分偏振光。

光电探测器台:光电探测器平台上可放置分束板或透明薄片，将激光分为2束，一束用于监测光束变化，另一束用来测量。通过调节分束板或透明薄片的摆放角

度，可将激光反射到探测器中用于监测。

起偏器、检偏器（偏振片):均为格兰偏振棱镜。棱镜装在镜座内，通过孔径 6mm。偏振棱镜座可以装在360分度盘镜座内，副尺有10个分度。偏振棱镜前表面已与镜座轴线垂直。

1/4波片使用方法与偏振片类似

光具座载物台:可以放置透明薄片或分束板，作为分光仪器。读数盘360分度，副尺10个分度。使用方法类似偏振片的使用

光屏:用于目测观察入射光屏的光强. 光电探测器:光电探测器是孔径25mm的硅光电池。

光电流放大器:光电信号经插头分别输入光电流放大器的"输入1"和"输入2"。经放大后用微安表显示。光电流放大倍数设计为×1，×5，×10，×100四档。两个放大器装在同一盒子内，由同一电源供电。

四、实验内容：

根据马吕斯定律测定光电池的线性响应:

马吕斯定律:I=I

0θ,其中

θ为起偏器P1后平面偏振光方位与检偏器P2后平面偏振光方位的夹角。

I 1，I

2

：D

1

，D

2

的光电流读数,

θ为起偏器P1后平面偏振光方位与检偏器P2后平面偏振光方位的夹角。