学长们的光偏振光现象

1、实验报告组号：二下三组姓名：学号：1100011608组内编号：3观察光的偏振现象目的要求：（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）验证定律观察双折射现象产生和观察光的偏振状态了解产生于检验偏振光的元件和仪器掌握产生于检验偏振光的条件和方法掌握区分椭圆偏振光和部分偏振光的方法观察显色偏振现象仪器用具：偏振光镜，偏振片，方解石块，1/2 波片，1/4 波片，He-Ne 激光器，钠光灯， 电流显示器片堆，光电管和光实验原理：光波是一种电磁波，而电磁波是横波，所以光波中的电矢量与波的显示了光的横波性。方向垂直，光的偏振现象便五种偏振态：线偏振光，圆偏振光，椭圆偏振光，自然光和部分偏振光。椭圆偏振光

2、可视为两个沿同一方向Z所示：的振动方向相互垂直的线偏振光Ex 和Ey 的，如下图 式中：A 为振幅， 为二光波的圆频率，t 为时间，k 为波矢的数值，等于 ， 为两波的相对相位差。 矢量E 的端点在波面内描绘的轨迹为一椭圆，椭圆的形状，取向和旋转方向，由 Ax，Ay 和 决定。1实验报告组号：二下三组姓名：学号：1100011608组内编号：3当Ax=Ay，且 = 时，椭圆光变为圆偏振光。当 =0， 时或者Ax（Ay）等于 0 时，椭圆偏振光变为 线偏振光。1.定律角 一束自然光从不同角度入射到介质表面时，其反入射时，无论入的偏振态，EP=0，所以反和折一般是部分偏振光，但在将成为线偏振光，其

3、电矢量垂直于入射面。如果光片堆透射出来的光一般是部分偏振光。但如果波以 入射到片堆上，则经多次反射，最后从片的数目较大，则透也将近似为线偏振光。2. 偏振片有些晶体对不同偏振状态的光有选择吸收的性质。光经过偏振片，其透基本上变为线偏振光。平行于透振的方向的光矢量可以透过，垂直于透振方向的将被吸收。偏振片既可作为光的起偏器，也可作为光的检偏器。3. 波晶片双折射现象：在晶体内时被分为两束折射程度不同的光束，这种现象叫做双折射现象。双折射晶体：能够产生双折射的晶体。晶体的光轴：双折射晶体内有一个特殊方向，当光沿这个方向称为晶体的光轴。时，分为o 光和e 光，这个主平面：晶体内部某条光线与光轴的平面

4、波晶片：从单轴晶体中切割下来的平面平行片，其表面平行于光轴。一经过双折射晶体将产生两束不同的折，一束折线符合折射定律，叫做寻常光（O光），而另外一束折线不符合折射定律，叫做非寻常光（e 光），寻常光（o 光）和非寻常光（e 光）偏振光，前者的电矢量E 垂直于o 光的主平面，后者的E 平行于e 光的主平面。在试验中的光具组中，o 光的偏振态垂直于光轴，e 光的偏振态平行于光轴， 利用这一点可以更好的区分o 光和p 光。当一束单色平行自然光正入射到波晶片上，光在晶体内部便分解为o 光与e 光。O 光电矢量垂直于光轴，e 光矢量平行于光轴。而o 光，e 光的射率不同，相应的折射率为no 与ne。方向

5、不变，仍都与界面垂直。但o 光和e 光的折如果晶片的厚度为l，则两束折通过晶片后就有相位差 =2k 的晶片，称为全波片， =2k + 者为半波片， =2k + 的为 波片， k 为任一常数。 注意：不论全波片，半波片，或者 波片都是对一定波长 而言的。 4. 通过波晶片的光的偏振态变化平行光垂射到波晶片内，分解为 e 光和o 光，透过波晶片，两者间产生相位差 ，光的偏振性质决定 及入的性质。自然光通过波晶片仍为自然光。若入为线偏振光，其电矢量E 平行于e 轴（或o 轴），出2仍为原来的线偏振光。实验报告组号：二下三组姓名：学号：1100011608组内编号：35. 片与偏振光 若入为线偏振光，

6、且正入射于 片，在 片的前表面上分解为（这一部分的推导对于理解波片的原 理是很重要的） ， 出表示为 （ ） ( ) 上式进一步推得： ( ) 相位差由 决定，现在 这说明出仍是线偏振光，但其振动方向与入的振动方向不同，线偏振光经 片，振动方向转 过 角（因为e 光的偏振态没变，而o 光的偏振态方向相反）。6. 波片与偏振片 仿照上面的分析，可得出 若入为线偏振光： ， ，上式代表一正偏， ，对应于右旋，（1） ，对应于左旋，当 ，出为圆偏振光。 若入为圆偏振光： ，此时Ae=Ao，上式代表线偏振光， ，出（2）电矢 量沿一，三象限， ，出电矢量沿二，四象限。（3）若入为椭圆偏振光： 在 间任

7、意取某值，出一般为椭圆偏振光，特殊情况下， ，即入为正椭圆偏振光，也就是 波片与椭圆的长轴或短轴相重合时， 3实验报告组号：二下三组姓名：学号：1100011608组内编号：3 或 ，出为线偏振光。（第（1）点和第(3)点对于区分椭圆偏振光和部分偏振光有重要意义）实验内容：1. 用偏振光镜验证定律偏振光镜构造如左图所示，片P 可绕水平轴y转动，片堆A 可分别绕水平轴y 及竖直轴z 的转动，相应转角可由刻度盘读出，平台 T 上可放置待观察的样品，Q 是一环形平台。调节P 使之与z 轴成 33 角。改变激光器S 的仰角并移动S 的位置，使光通过T 和Q 的中心，沿z 轴投射于A，角 57 入射P，

8、其反使光以验为线偏振光。在此基础上进行下面实（1） 先使 ，绕Z 轴转A，观察 A 的反之。的强度变化，并简要解释（2）用（1）但观察透的强度变化，并予以解释。2观察双折射现象（1） 以小灯照明铝板上的小孔，孔上放方解石块I（负单轴晶体），通过它观察小孔，转动方解石。（2） 利用一透射方向已知的偏振片寻常光与非寻常光电矢量的振动方向并解释之。 3.观察线偏振光通过 片后的现象 ，P，A 为偏振片，C 为 片或 片.实验装置 4实验报告组号：二下三组姓名：学号：1100011608组内编号：3（1）了解偏振片P A 的作用，在观察者与光源S 之间，放入偏振片P，旋转P 看透变化，再放上检偏器A，

9、转A，观察光透射过A 的强度怎么样变化？的强度有无（2）使P 的透射方向竖直（是否必须竖直？），转A 达到消光，在P A间 片，将 片转动360 ，能看到 几次消光，试加以解释。（3）把 片任意转动一角度，破坏消光现象，再将A 转动 360 ，又能看到几次消光？ 片，转之使消光，以此时 P 与 片位置对应角度 ，保（4）仍使 P 的透光方向竖直，P，A 正交 持 片不动，将P 转 ，破坏消光，再沿与转P 相反的方向转A 至消光位置，A 所转过的 角度 。（5）继续（4）的实验，依次使 ， ， ， ， ，转A 到消光位置， 的角度 相应的转过4.用 片产生椭圆偏振光 ） 取下 片，仍使P 的透光

10、方向竖直，P 正交，（1片转之使消光。 （2） 保持 片不动，将P 转 ，然后将A 转 360 ，观察光强变化。 （3）继续（2），依次使 ， ， ， ， ，每次将A 转 360 ，观察光强的变化，根据 观察结果画图，或用文字说明透过 片的出的偏振状态。 5. 检验椭圆偏振光与部分偏振光。6. 显色偏振现象（1）透明胶纸在生产过程中因拉伸呈各向异性，将此胶纸贴在层，各层的取向均相同。上作为样品，其厚度分别为 1,2,3,4（2）使 P，A 正交，用白光光源代替钠光灯。在P，A 之间放入上述样品。转动样品，使消光。再转样品 45 。此时在A 后观察到各不同层胶纸的透呈什么颜色？为什么会出现这种现

11、象。（3） 逐步旋转A 直到A 平行于P，仔细观察在此过程中颜色变化的规律。当 时和A P 时的透颜色有什么关系，为什么？（4） 根据上述实验结果，你能够估计每层胶纸o 光和e 光光程差L= 。5实验报告组号：二下三组姓名：学号：1100011608组内编号：3数据表格： 片转动影响偏振态的观察 片转动影响偏振态的观察注意：消光现象有人为的因素，在实验过程中，很难做到无任何光斑，但光斑极弱。6 A 转 360 观察到的现象光的偏振状态0 两次消光，两次最强线偏振光15 无消光，两次最强，两次最弱椭圆偏振光30 无消光，两次最强，两次最弱但偏振度不如 15 的情况椭圆偏振光45 无消光现象圆偏振

12、光60 无消光，两次最强，两次最弱但偏振度不如 75 的情况椭圆偏振光75 无消光，两次最强，两次最弱椭圆偏振光90 两次消光，两次最强线偏振光 线偏振光经 /2 后振动方向转过的角度0 0 0 15 16 31 30 31 61 45 45 90 60 61 121 75 76 151 90 91 181 实验报告组号：二下三组姓名：学号：1100011608组内编号：3数据处理及结论：1. 用偏振光镜验证定律（1）在初始状态时，A/P，随着A 的旋选，光强逐渐减弱，直至发生消光现象（实验中实际上并没有完全消光），然后继续增强。角射入偏振片P 时，反的P 光分量为零（相对于偏振片 P），所以

13、解释：当氦氖激光以为S 光，当A/P 时，相对于偏振片A 仍为S 光，光强最强，但若A 绕z 轴旋转 90 度时，则此时相对于偏振片P 的S 光成为相对于A 的P 光，且无S 光分量，且仍为角入射，则P 光为 0，反完全消光。（2）观察到透变化过程与（1）相反，解释：因为能量守恒。（虽然能量守恒考查的是光功率，但考虑到在实验过程中，透射和反的有效功率面积是没有发生变化的，所以解释是合理的）（3）将A 绕 y 轴转动，光强由无到有，由若变强，因为偏离强。（注意旋转角度并不大，因为旋转角度很大，又会形成角，则光强不为零，且逐渐增角入射）（4）透光强由强变弱。2.观察双折射现象观察实验现象12可以发

14、现两个。旋转双折射晶体，发现一个光斑绕另一个光斑进行旋转。则可以知道，不旋转的为 o 光（遵循折射定律），旋转的为e 光（不遵循折射定律）。3随着旋转双折射晶体，的光强会发生变化，但这是由于双折射晶体的旋转，使出的方向与进入人眼光线的夹角发生了变化，将眼睛面向出发生明显变化（可能是人眼无法分辨）。方向时，发现两者亮度相同，且不随晶体的旋转46e 光的偏向角大于o 光，所以e 光的折射率大于o 光。利用一透光方向已知的偏振片，置于出线方向旋转，发现的发生消光现象，说明出为线偏振光，且两者的偏振方向基本正交（的）。解释：平行光（并不是自然光）通过双折射晶体，分解为o 光和e 光，且偏振光，正交的是

15、，两光线和光轴基本处于同一平面，而o光垂直于主平面，e 光平行于主平面，所以偏振态正交。3.观察线偏振光通过 /2 后的现象。（1） 旋转 P，没有观察到明显变化，放上检偏器 A 之后，旋转 360 ，发现出现两次消光现象。解释：当偏振片平行时，光线可以透过，当偏振片正交时，光线不能透过。（2） 竖直是个人可以定义的，只要保持各器件的相对角度相同即可。放入 /2 片后，旋转 360 ， 可以看到 4 次消光现象。解释：当线偏振光相对 /2 片旋转 角之后，则偏振状态相对于原来状态偏转 2 角，所以线偏光转动 360 ，则偏振态转动 720 。所以 720/180=4，出现 4 次消光现象。（3

16、） 破坏消光现象后，将 A 旋转 360 ，能看到两次消光现象，并且消光现象效果不如（2）。解释： 关于第一点，经过 /2 片后仍为线偏振光，所以出现两次消光现象。关于第二点，事实上由于 /2 片本身的厚度所致的相位差并不严格为 （或者再加上 2k ），所以其算不上严格的线偏振光，而是一个短轴非常短的椭圆偏振光，而（2）是因为当线偏振光的偏振状态和 /2 片的主轴平行或者垂直时， 其o 光和e 光总有一个分量为 0，所以此时为较为严格的线偏振光，偏振现象明显，并且这一现象与波片的厚度是没有关系的，所以（3）的消光现象没有（2）明显。（3） 和（5）：如下图：7实验报告组号：二下三组姓名：学号：

17、1100011608组内编号：3入出 偏振片 从数据表格中可以看出当线振光偏移 角时，偏振片A 偏移 角才能达到消光状态，如上图，假设初始状态的线偏振光沿e 轴，则为消光，A 的初始状态方向为o 轴方向。实验中线偏振光偏移 角， 偏振片A 偏移 角才能达到消光状态，则由几何关系推得偏振光的偏振态改变 2 角。这和理论分析也是自洽的。4.用 /4 片产生椭圆偏振光（2）和（3）：实验结果见数据表格。解释：如图当线偏振光平行或者垂直于光轴时，则出只有e 分量或者o 分量，所以仍为线偏振光，旋转A360 ，发生两次消光现象。当起偏器转动角度为 15 ，30 ，60 ，75 时，e 分量和o 分量都不

18、为 0，且两者振幅不相等，且两者相位相差 90 ，所以为椭圆偏振光，又因为 15 和 75 时，其椭圆偏振光的短轴小于 30 和 60 时的情况，所以这两个角度的光强变化更明显。当为 45 时，因为o 光和e光的振幅相等，所以为圆偏振光。8实验报告组号：二下三组姓名：学号：1100011608组内编号：3画出出的偏振状态：设 ， 对于其他情况，分析方法都是一样的。 （1）0 度（2）15 度（3）30 度9实验报告组号：二下三组姓名：学号：1100011608组内编号：3（4）45 度（5）60 度（6）75 度10实验报告组号：二下三组姓名：学号：1100011608组内编号：3（7）90

19、度对于其他类型 ，对应于右旋， ，对应于左旋。 5.检验椭圆偏振光和部分偏振光 设计思路：利用线偏振光通过 /4 片，产生椭圆偏振光。利用平行光通过堆，产生部分偏振光。原理：椭圆偏振光通过 /4 片，当椭圆偏振光的长轴或短轴平行于第二块 /4 片的主轴时，椭圆偏振光将变成线偏振光，利用检偏器A，则可以观察到消光现象，而部分偏振光通过 /4 片并无此特性， 利用这一点来进行分辨。步骤：（设 3 块偏振片P1，P2，A，两块 /4 片 C1，C2）1如图放置，产生椭圆偏振光，C1 角度任意。2放入检偏器A，且调整A 的角度，使观察到的亮度最小，即A 的透振方向平行于椭圆偏振光的短轴。11实验报告组

20、号：二下三组姓名：学号：1100011608组内编号：33在 C1 和 A 之间放入起偏器P2，使之完全消光，则此时，A 的透振方向正交于P2 的正交方向，则此时P2 的透振方向平行于椭圆偏振光的长轴，由此椭圆偏振光的长轴和短轴都已经被确认。4再将 C2 放入P2 和A 中，调整角度使之完全消光，则 C2 的主轴平行或者垂直于 C1 的主轴。撤掉P2，则此时经过 C2 后产生的光为线偏振光，旋转A360 ，若可以完全消光，则证明为线偏振5光。对于部分偏振光，则调整 C2 和A，观察不到消光现象。在实验过程中可以利用起偏器检测部分偏6振光的极强和极弱的方向，调整 C2 的角度，使主轴平行或者垂直

21、这两个方向，旋转A，检测不到消光现象则将部分偏振光和椭圆偏振光区分。12实验报告组号：二下三组姓名：学号：1100011608组内编号：37. 显色偏振现象（2）转动 45 ，观察到呈红，四种颜色。解释：胶纸相当于一个 /2 片，初始状态时，线偏振光的偏振态垂直或者平行于胶纸的主轴。转动样品 45 ，则偏振态转动 90 ，所以出射偏振态平行于A 的透振方向，可以观察到颜色。在这里值得进一步解释的是， /2 片是相对于特定波长而言的，4 种不同的厚度对应红，不同的波长。对于其他波长的波长，出可能为椭圆偏振光，甚至是圆偏振光，或者也有可能相当于全波片，没有发生改变。由于这四种颜色的光能够全部透过A，所以其起主导作用，所以呈现这四种颜色。A/