偏振光的产生及检验2课件

1、偏振光的产生及检验实验的意义实验目的实验的基本原理实验内容与步骤数据处理与思考题本实验的意义 从物理光学的内容可以知道，光有各种偏振状态，而且随着光波经历的各向异性过程，偏振状态将按一定规律发生变化。这样不仅可以从光波偏振态的变化推断它经历了怎样的各向异性过程，而且可以利用偏振态使光波携带给定的信息。偏振态是光波的一个自由度，为了利用和控制它，我们需要具备产生、转换和检验偏振态的手段。偏振光的应用遍及于工农业、医学、国防等部门。利用偏振光装置的各种精密仪器已为科研、工程设计、生产技术的检验等提供了极有价值的方法。一、实验目的1、观察光的偏振现象，加深理解偏振的基本概念。2、了解偏振光的产生和检

2、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。5、了解1/2波片和1/4波片的用途。二、实验原理 根据偏振的概念，如果电矢量的振动只限于某一确定方向的光，称为平面偏振光，亦称线偏振光；如果电矢量随时间作有规律的变化，其末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆（或圆），这样的光称为椭圆偏振光（或圆偏振光）；若电矢量的取向与大小都随时间作无规则变化，各方向的取向几率相同，则称为自然光；若电矢量在某一确定的方向上最强，且各向的电振动无固定相位关系，则称为部分偏振光。二、实验原理（一）获得偏振光的方法1、非金属镜面的反射。当自然光从空气照射在折射率为n的非金属镜面（如玻璃仪

3、器、水等）上，反射光与折射光都将成为部分偏振光。当入射角增大到某一特定值时，镜面反射光成为全偏振光，其振动面垂直于入射面，这时入射角称为布儒斯特角，也称起偏振角。由布儒斯特定律得： （1-1）其中n为折射率。2、多层玻璃片的折射，当自然光以布儒斯特角入射到迭在一起的多层平行玻璃片上时，经过多次反射后透过的光就近似于线偏振光，其振动在入射面内。3、晶体双折射产生的寻常光（o光）和非常光（e光），均为线偏振光。4、用偏振片可以得到一定程度的线偏振光。二、实验原理（二）偏振片、波长片及其作用1、偏振片： 偏振片是利用某些有机化合物晶体的二向色性，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

4、向振动的光，而透过与此垂直方向振动的光，由于在应用时起的作用不同而叫法不同，用来产生偏振光的偏振片叫做起偏器，用来检验偏振光的偏振片，叫做检偏器。 按照马吕斯定律，强度为的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为 （1-2） 式中为入射偏振光的偏振方向与检偏器振轴之间的夹角二、实验原理 显然当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度发生周期性变化，当 时，透射光强最大；当 时，透射光强为极小值（消光状态）；当 时，透射光强介于最大和最小值之间。 上图表示自然光通过起偏器与检偏器的变化。起偏器检偏器二、实验原理2、波长片： 当线偏振光垂直射到厚度为L，表面平行于自身光轴的单轴晶片时，则寻常光（o光

5、）和非常光（e光）沿同一方向前进，但传播的速度不同，这两种偏振光通过晶片后，它们的相位差为： （1-3） 其中， 为入射偏振光在真空中的波长， 和 分别为晶片对o光和e光的折射率，L为晶片的厚度。 两个互相垂直的同频率且有固定相位差的简谐振动的合振动的方程式为：（1-4） 二、实验原理由此式可知：（1）当 （K=0、1、2）时，为线偏振光；（2）当 （K=0、1、2）时，为正椭圆偏振光。 在 时，为圆偏振光；（3）当 取其它值时，为椭圆偏振光。 在某一波长的线偏振光垂直入射晶片的情况下，能使o光和e光产生相位差 （相当于光程差为1/2波长的奇数倍）的晶片，称为对应于该单色光的二分之一波片（ 波

6、片）；与此相似，能使o光和e光产生相位 （相当于光程差为1/4波长的奇数倍）的晶片，称为四分之一波片（ 波片）。本实验中所用波片是对 而言的。二、实验原理AeAoYX偏振光振动方向晶片光轴 如图所示，当振幅为A的线偏振光垂直入射到波片上，振动方向与波片光轴成角时，由于o光和e光的振幅分别为，所以通过波片后合成的偏振状态也随角度的变化而不同。（1）当 时，获得振动方向平行于光轴的线偏振光；（2）当 时，获得振动方向垂直于光轴的线偏振光；（3）当 时， 获得圆偏振光；（4）当 为其它值时，经过 波片后为椭圆偏振光。 二、实验原理A1A2YX检偏器方位（三）椭圆偏振光的测量 椭圆偏振光的测量包括长、

7、短轴之比及长、短轴方位的测定，如图1-3所示。当检偏器方位与椭圆长轴的夹角为 时，则透射光强为： 当 时， ；当则椭圆长短轴之比为 椭圆长轴的方位即为Imax 的方位。 三、实验内容（一）起偏与检偏鉴别自然光与偏振光1、在光源至光屏的光路上插入起偏器P1，旋转P1，观察光屏上光斑强度的变化情况。2、在起偏器P1后面再插入检偏器P2。固定P1的方位，旋转P2，旋转3600，观察光屏上光斑强度的变化情况，有几个消光方位。3、以硅光电池代替光屏接收P2出射的光束，旋转P2，每转过100记录一次相应的光电流值，共转1800，在坐标纸上作出 关系曲线。三、实验内容（二）观察布儒斯特角及测定玻璃折射率1、

8、在起偏器P1后，插入测布儒斯特角装置，再在P1和装置之间插入一个带小孔的光屏，调节玻璃平板，使反射光束与入射光束重合，记下初始角1 。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，此时记下玻璃平板的角度2 。重复测量三次，求平均值，算出布儒斯角0=2 -1 。三、实验内容（三）观测椭圆偏振光和圆偏振光1、先使起偏器P1和检偏器P2的偏振轴垂直（即检偏器P2后的光屏上处于消光状态），在起偏器P1和检偏器P2之间插入 波片，转动波片使P2后的光屏上仍处于消光状态。用硅光电池及光点检流计组成的光电转换器取代光屏。2、将起偏角P1转过200，调节硅光

9、电池使透过光全部进入硅光电池的接收孔内，转动检偏器P2找出最大光电流的位置，并记下光电流的数值，重复测量三次，求平均值。3、转动P1使P1的光轴与 波片的光轴的夹角依次为300、450、600、750、900值，在取上述每一个角度时，都将检偏器P2转动一周，观察从P2透出光的强度变化，并记录每个角度时的最大电流值和最小电流值，表格自拟。 三、实验内容SPCANS 光源 P 起偏器 A检偏器C 波片 N 光屏（四）考察平面偏振光通过1/2波片时的现象1、按图在光具座上依次放置各元件，使起偏器P的振动面为垂直，检偏器A的振动面为水平（此时应观察到消光现象）。2、在P、A之间插入1/2波片C，将C转

10、动3600，能看到几次消光？解释这现象。3、将C转任意角度，这时消光现象被破坏，把A转动3600，观察到什么现象？由此说明通过1/2波长片后，光变为怎样的偏振状态？4、仍使P、A处于正交，插入C，使消光，再将C转150，破坏其消光。转动A至消光位置，并记录A所转动的角度。5、继续将C转150（即总转动角为300），记录A达到消光所转总角度，依次使C总转角为450、600、750、900，记录A消光时所转总角度。四、数据处理1、数据表格自拟。2、在坐标纸上描绘出 关系曲线。3、求出布儒斯特角 ，并由公式（1-1）求出平板玻璃的相对折射率。4、做出P1的光轴与 波片的光轴的夹角为300到900的电流变化数据表，并