实验5光的偏振实验实验

1、光 的 偏 振 实 验实验说明书北 京 方式 科 技 有 限责 任 公 司光的干涉和衍射现象表明光是一种波动,光的偏振现象清楚的显示了光的横波性。历史上，早在光的电磁理论建立以前，在杨氏双缝 实验成功以后不多年，马吕斯（E.L.Malus）1809 年就在实验上发现了光的偏振现象。实验目的验证马吕斯定律；产生和观察光的偏振状态；了解产生与检验偏振光的元件和仪器；掌握产生与检验偏振光的条件和方法。实验原理光波是一种电磁波，电磁波是横波，光波中的电矢量与波的传播方向垂直。光的偏振现E H 向（图。通常用电矢量E 代表光的振动方向，并将电矢量E 和光的传播方向c 平面称为光振动面。（图 2。光源发射

2、的光是由大量分子或原子辐射构成的。单个原子或分子辐射的光是偏振EHcaEHcyAyEEyExAx图1 cyAyEEyExAx们所发射的光的振动面出现在各个方向的几率是相同x的。一般说，在 相等，故这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光（图 2b。在发光过程中，有些光的振动面在某个特定方向上出现的几率大于其他方向，即在较长时间内电矢量在某一方向上较强，这样的光称为部分偏振光（图 2。还有一些光，其振动面的取向和电矢量的大小随时间作有规律的变化，电矢量末端在垂直于传播x图 3a 椭圆偏振光的合成方向的平面上的轨迹是椭圆或圆，这种光称为椭圆偏振光或圆偏振光（图 3a光和圆偏振光又可看作椭圆

3、偏振光的特例。椭圆偏振光可看作是两个沿同一方向 z 传播的振动方向相互垂直的线偏振光的合成：如图 1 所示：E AxE Ayycos( t kz)（1）cos( t kz )（2）A 为两光波的圆频率为两波的相对位相差。E A Axy和A Axy及A （x0）及0 或y- - /2- /2 00 /2 /2 = =-= =- /2 =0 = /2左旋右旋. . . . . .b空气. . . . . .b空气玻璃本实验中主要考察的是光的各种偏振态的改变。一 自然光变为线偏振光一束自然光入射到介质的表面，其反射光和折射光一般是部分偏振光。在特定入射角即布儒斯特角b下，反射光成为线偏振光，其电矢量

4、垂直于入射面。若光是由空气入射到折射率为玻璃平面上（图4，则tg bn n 57图4a用玻璃片产生反射全偏振光1若入射光以布儒斯特角b射到多层平行玻璃片上，经多次反射最后透射出来的光也就接近于线偏振光，其振动面平行于入射面。由多层玻璃片组成的这种透射起偏器又称为玻璃片堆。（图 4b）.自然光经过偏振片，其透射光基本上变为线偏振光，这是由于偏振片具有选择吸收性的缘故，入射光波中，电矢量 E 垂直于偏振片透光方向的成分被强烈吸收，而 E 平行于透光方1.01.0 1.5 b1.01.51.01.51.0图4b用玻璃片堆产生线偏振光向的分量则吸收较少。二 波晶片利用单轴晶体的双折射，所产生的寻常光光

5、）和非常光 光）都是线偏振光。前者E o （晶体内部某条光线与光轴构成的平面E e 平面。波晶片是从单轴晶体中切割下来的平面平行板，其表面平行于光轴。o e o o 光在晶体内的波速为 voe n neo不同。设晶片的厚度为L,则两束光通过晶片后就有位相差： 2(n no)L（4）其中为光波在真空中的波长。2k的晶片，称为全波片； 2k 时，为半波片；2k/2 为四分之一波片；三 偏振光的检测鉴别光的偏振态的过程称为检偏，它所用的装置称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是通用的。用于起偏的偏振片称为起偏器，用于检偏的称为检偏器。按照马吕斯定律，强度为 I0 的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为

6、：I I0cos 2 （5）式中为入射光偏振方向与检偏器的偏振轴之间的夹角。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0 时，透射光强度为极大值；当90 时，透射光强度为极小值，我们称之为消光状态，接近于全暗；当 090时，透射光强度 I 介于最大值和最小值之间。因此，根据透射光强度变化的情况，可以区别线偏振光、自然光和部分偏振光。图 5 表示自然光通过起偏器和检偏器的变化情况。自然光自然光.线偏振光I1I2起偏器检偏器图5自然光通过起偏器和检偏器的变化（表）第一步第一步令入射光通过偏振片，改变偏振片的透振方向 P1，观察透射光强的变化观察到的现象有消结论线偏

7、振第二步强度无变化强度有变化但无消光自然光或圆偏振光部分偏振光或椭圆偏振光 a.令入射光依次通过四分之一b.同a，只是四分之一波片的波片和偏振片改变偏振片光轴方向须与第一步中偏振的透振方向观察透射光的强度片产生强度极大或极小的变化透振方向重合观察到的现象结论有消光圆偏振无消光自然光有消光无消光四 通过波晶片后光的偏振态的变化o 分量和 e 加位相差 。离开波晶片时合成光波的偏振性质。决定于 及入射光的性质。通过波晶片，引入一恒定的位相差 ，其结果还是无规则的。Ee（o轴除上述两种情况外，偏振光通过波晶片，一般其偏振态都要变化。我们可以通过其振动的合成来看其偏振态的变化情况：我们知道，两个相互垂

8、直、同频率且有固定位相差的简谐振动（例如通过波晶片后的 eo光的振动）可用下列方程表示：x Axcos t（6）y Acos( t )y从以上两式中消去时间 t，经三角运算后得到合振动的方程为：（7）x2y22 xy cos sin 2 （8）A 2A 2A Aeooe（）椭圆形。它代表椭圆偏振光。当K (K=0,1,2,3,，)时，(8)式变为直线方程，表示合振动是线偏振光；当(K1/2) (K=0,1,2,3, ，)时，(8)式变为正椭圆方程，表示合振动是正椭圆偏振光；当(K1/2) (K=0,1,2,3, A Aoe时，(8)式变为圆方程，表示合振动是圆偏振光；当不等于以上各值时，合振动

9、为不同长短轴组合成的椭圆偏振光。如图 6 所示，当振幅为 A 的线偏振光垂直射到/2 波片，在其表面上分解为：E Aeecos t（9）出射光表示为：E Aocos( t ) 0或（10）oAooAoAAeeoAoA-Aee图 6 偏振光经/2 波片后的情况E Aeecos( t 2n L )e（11）上式可以写为：E Aocos( t 2n L)o（12）E Aeecos t（13）22E Aocos( t n L o n L ) Aecos( t ) （14）出射光的两正交分量的相对应的位相差有 决定，现有： 0 （15） 0这说明出射光也是线偏振光，但振动方向与入射光的不同。若入射光与波

10、晶片光轴成 角，则出射光与光轴成角。即线偏振光经过/2 波片电矢量振动方向转过了 2角。若入射光为椭圆偏振光，类似的分析可知，半波片也改变椭圆偏振光长短轴的取向。此外，半波片还改变椭圆偏振光或圆偏振光的旋转方向。当偏振光正入射于/4 波片，仿照上述分析可得出射光为：E Acos tee（16）E Aoocos( t ) 2（17）A 的线偏振光垂直射到/4 e光和的函数，所以通过/4 波片后合成的光的偏振态也将随角度的变化而不同。当 时，获得振动方向平行于光轴的线偏振光；当 时，获得振动方向垂直于光轴的线偏振光；oe3）当 且AAoe时，获得圆偏振光；4）当为其他值时，0，获得光为正椭圆偏振光

11、；/2，对应右旋。 /2，对应左旋。oe入射光为圆偏振光此时AA ，上式代表线偏振光。出射光电矢量oe沿一、三象限；，出射光电矢量沿二、四象限。间任意取值，出射光一般为椭圆偏振光。特殊情况下，（相对于波晶片的快慢轴而言或实验内容 起偏和检偏、鉴别自然光和偏振光、验证马吕斯定律1P P 作为起偏器，旋转P，观察并描述光屏E 上光斑强度的变化情况。2、在P 后加入作为检偏器的偏振片 A，固定 P 的方位，转动A，观察、描述光屏E 上光斑强度的变化情况，与步骤 1 所得的结果比较，并作出解释。3A 1调整激光器和光探头的高度使激光射入光探头P （大的位置（3）放上检偏器 A 同样找到它的实际零点（方

12、法通上4）记录一次相应的光电流值，完成图表experiment caculation2.5experiment caculation2.0 1.5m (P1.00.50.0-50050100150200250300350400angle (degree) P(mw) cos 2 P(mw)cos 2 P(mw)cos 2P(mw) cos 200100200300400500600700800900100011001200130014001500160017001800190020002100220023002400250026002700280029003000310032003300340

13、035003600在极坐标纸上作出转动角I 的曲线（I cos 线，来验证马吕斯定律。根据以上的观测结果，总结应当如何鉴别自然光和偏振光。二 观察圆偏振光和椭圆偏振光1、 以可见激光器为光源垂直照射于一组相互正交的偏振片（P、A）上(即转动检偏器 A 直到功率指示器读数为零或者说使其处于消光状态)，在 P、A 间插入一/4 波片C，观察并对/4 波片插入前后，透过 A 的光强变化。2P A /4 波片C 0 A 的光强度的变化情况，并作出解释。32 中，再以使正交偏振片处于消光状态时/4 线，转动/430、60、75、等值，在取上述每一个角度时都将检偏器A （从0 转到2A 然后作出解释。光的偏振性质将以上观测的结果记录在表格中。并解释上述实验结果片转动的角度观察到的现象（功率指示器示数变化范围）结论（什么偏振光）00150300450600750900三 圆偏振光和椭圆偏振光的检验虽然上面实验中我们用偏振片可以一般地区别线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光，但严格来说要鉴别圆偏振光和椭圆偏振光单用偏振片是不够的。因为单用偏振片无法区别圆偏振光和自然光，也无法区别椭圆偏振光和部分偏振光。为此必须再加一个/4 波片。1、按图 7，先使 A