偏振光的产生与检测

【实验目的】（1）通过观看光的偏振现象，加深对光波传播规律的熟悉；（2）把握偏振光的产生和查验方式；（3）观测圆偏振光和椭圆偏振光.【实验装置】光具座、激光器、白光源、光功率计、起偏器、检偏器、1/4波片、1/2波片、带小孔光屏【实验原理】偏振光的概念光的波动的形式在空间传播属于电磁波，它的电矢量E与磁矢量H彼此垂直，且E和H均垂直于光的传播方向，如图3-12-1所示，故光波是横波.实验证明光效应要紧由电场引发，因此电矢量E的方向定为光的振动方向.图3-12-1光传播与振动示用意自然光源（如日光，各类照明灯等）发射的光是由组成那个光源的大量分子或原子发出的光波的合成.这些分子或原子的热运动和辐射是随机的，它们所发射的光振动，出此刻各个方向的概率相等，如此的光叫做自然光.但是自然光通过媒质的反射、折射或吸收后，在某一方向上振动比另外方向上强，这种光称为部份偏振光若是光振动始终被限制在某一确信的平面内，那么称为平面偏振光，也称为线偏振光或完全偏振光偏振光电矢量E的端点在垂直于传播方向的平面内运动轨迹是一圆周的，称为圆偏振光，是一椭圆的那么称为椭圆偏振光.取得线偏振光的方式（1）反射式起偏器（或透射式起偏器）当自然光在两种介质的界面上反射或折射时，反射光和折射光都将成为部份偏振光慢慢增大入射角，当达到某一特定值时，反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于入射面，如图3-12-2起偏角（亦称布儒斯持角）.图3-12-2反射起偏光路图由布儒斯特定律可得,-ntani=t°n1(3-12-1)例如当光由空气射向n的玻璃平面时，i°=57°.假设入射光以起偏角i射到玻璃面上，那么反射光为全偏振光，面折射光不是全偏振°光，但这时它的偏振化程度最高.如使自然光以起偏角1°入射并透过量层玻璃(称玻璃片堆).那么透射出来的光也将接近于全偏振光，它的振动面与入射面平行晶体起偏器利用某些晶体的双折射现象，也可取得全偏振光，如尼科尔棱镜等偏振片(分子型薄膜偏振片)聚乙烯醇胶膜内部含有刷状结构的链状分子，在胶膜被拉伸时，这些链状分子被拉直并平行排列在拉伸方向上.由于吸收作用，拉伸过的薄膜只许诺振动取向平行于分子排列方向(此方向称为偏振片的偏振轴)的光通过.利用它可取得线偏振光.偏振片是一种经常使用的“起偏”元件，用它可取得截面积较大的偏振光束.而且出射偏振光的偏振化程度可达98%.辨别光的偏振状态的进程称为检偏，它所用的装置称为检偏器事实上，起偏器和检偏器是通用的，用于起偏的偏振片称为起偏器，把它用于检偏，就成为检偏器了.依照马吕斯定律，强度为I的线偏振光，通过检偏器后.透射光的强度为：°I=I°cos29(3-12-2)式中9为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角.显然，当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度将会发生周期性转变.当9=0°时，透射光强度最大(如图3-12-3(a)所示)；当9=90。时，透射光强度为极小(消光状态(如图3-12-3(b)所示)，接

近于全暗；当0°<0<90。时，透射光强度介于最大和最小之间.因此，依照透射光强度转变情形，能够区别线偏振光、自然光和部份偏振光.图3-12-3表示自然光通过起偏器和检偏器的转变情形.本实验是利用偏振片图3-12-3自然光通过起偏器和偏振器的情形（起偏器和检偏器）观看偏振光的偏振情形3.波片的偏光作用波片也称相位延迟片是由晶体制成的厚度均匀的薄片，其光轴与薄片表面平行，它能使晶片内的。光和e光通过晶片后产生附加相位差.依照薄片的厚度不同，能够分为1/2波长片，1/4波长片等，所用的1/二、1/4波长片皆是对钠光而言的.当线偏振光垂直射到厚度为，表面平行于自身光轴的单轴晶片时，那么寻常光光）和超级光（e光）沿同一方眼前进，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:(3-12-3)偏器的转变情形.本实验是利用偏振片图3-12-3自然光通过起偏器和偏振器的情形（起偏器和检偏器）观看偏振光的偏振情形3.波片的偏光作用波片也称相位延迟片是由晶体制成的厚度均匀的薄片，其光轴与薄片表面平行，它能使晶片内的。光和e光通过晶片后产生附加相位差.依照薄片的厚度不同，能够分为1/2波长片，1/4波长片等，所用的1/二、1/4波长片皆是对钠光而言的.当线偏振光垂直射到厚度为，表面平行于自身光轴的单轴晶片时，那么寻常光光）和超级光（e光）沿同一方眼前进，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:(3-12-3)其中，，为入射偏振光在真空中的波长，％叫别离为晶片对。光e光的折射率，L为晶片的厚度.咱们明白，两个相互垂直的，同频率且有固定相位差的简谐振动，可用以下方程表示（通过晶片后。光和e光的振动）:X=Asin①tY=Asin（ot+中）o从两式中消去t，经三角运算后取得全振动的方程式为:X2Y22XY.+cos中=sin2中AAeo1A2A2(3-12-4)由式（3-12-4）可知:2，）时，为线偏振光；②当中=(2K+1)n(k=022，时，为正椭圆偏振光，在A。=Ae时，为圆偏振光；③当中为其他值时，为椭圆偏振光.在某一波长的线偏振光垂直入射于晶片的情形下，能使o光和e光产生相位差甲=（2K+1）兀（相当于光程差为九/2的奇数倍）的晶片，称为对应于该单色光的二分之一波片（九/2波片），与此相似，能使o光和e光产生相位中=（2K+1）2（相当于光程差为入/4的奇数倍）的晶片，称为四分之一波片（九/4波片）.本实验中所用波片（入/4）是对6328A（He-Ne激光）而言的.如图3-12-4所示，当振幅为A的线偏振光垂直入射到入/4波片上，其振动方向与波片光轴成9角时，由于。光和e光（通过波晶片后）的振幅别离为Asin0和Acos0，因此通过入/4波片后合成的偏振状态也随角度9的转变而不同.当9=0°时，取得振动方向平行于光轴的线偏振光；当9=兀/2时，取得振动方向垂直于光轴的线偏振光；当9=兀/4时，同时Ae=A。取得圆偏振光；当9为其他值时，通过入/4波片后为椭圆偏振光.图3-12-4图3-12-4图3-12-5图3-12-5椭圆偏振光的测量椭圆偏振光的测量包括长、短轴之比及长、短轴方位的测定.如图3-29所示，当检偏器方位与椭圆长轴的夹角为9时，那么透射光强为：(3-12-5)I=A2cos2甲+A2sin2甲(3-12-5)(3-12-6)I=I=A2

max1(3-12-6)当9=(2K+1)n时那么椭圆长短轴之比为—1=■'max(3_12~8)A2Mm椭圆长轴的方位即为I的方位.max【实验内容和步骤】起偏与检偏辨别自然光与偏振光如图3-12-6所示，在光源至光屏的光路上插入起偏器P「旋转P「观看光屏上光斑强度的转变情形；单色自然光源起偏器H1/4波片检慌器R光屏图3-12-6在起偏器七后面再插入检偏器P2，固定七方位，旋转P2，旋转360°，观看光屏上光斑强度的转变情形，并将光屏上最强和最弱时的对应旋转角度记录到表3-12-1中；以光功率计代替光屏接收P2出射的光束，旋转P2,每转过10°记录一次相应的光功率值，共转180°，将相应的实验数据记录到表3-12-2中，且利用实验数据在座标纸上作出I〜COS20关系曲线，看其是不是与马吕斯定律相一致.观测椭圆偏振光和圆偏振光参照图3-12-3(b)所示，先使起偏器七和检偏器P2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和检偏器七之间插入入/4波片(如图3-12-6)，转动波片使P2后的光屏上仍处于消光状态(使入/4波片光轴与起偏器七透光轴方向平行).用光功率计取代光屏.将起偏器七转过20°，调剂光功率计的位置尽可能使得P2透射出的偏振光全数进入光功率计的同意范围.转动检偏器P2找出功率最大的位置，并记下相应光功率值.重复测量3次，求平均值.转动P1，使P1的光轴与X/4波片的光轴的夹角依次为30°、45。、60°、75。、90°值，在取上述每一个角度时，都将检偏器P2转动一周，观看从P2透出光的强度转变.【注意事项】实验中各元件不能用手摸，实验完毕后按规定位置放置好；不要让激光束直接照射或反射到人眼内.【实验数据和结果处置】光屏上光斑强度检偏器七旋转角度表3-12-2由于在测量位置和实验条件不变时，光强度与光功率计的测量值为近似的线性关系，因此依照表3-12-2所得数据即可用来验证马吕斯定律I=10cos29【试探与讨论题】（1）如何应用光的偏振现象说明光的横波特性？如何区别自然光和偏振光？（2）玻璃平板在布儒斯特角的位置上时，反射光束是什么偏振光？它的振动是在平行于入射面内仍是在垂直于入射面内？（3）人/4波片与P1的夹角为何值时产生圆偏振光？什么缘故？（4）两片偏振片用支架安置于光具座上，正交后消光，一片不动，另一片的2个表面旋转180°，会有什么现象？如有出射光，是什么缘故？（5）2片正交偏振片中间再插入一偏振片会有什么现象？如何说明？（6）波片的厚度与光源的波长什么关系？【附录】光学实验中经常使用光源一电光源.常见的有热辐射光源和气体放电光源及激光光源3类.热辐射光源经常使用的热辐射光源是白炽灯.一般灯泡确实是白炽灯，可作白色光源，应按仪器要求和灯泡上指定的电压利用，如光具座、分光计、读数显微镜等.气体放电光源实验室经常使用的钠灯和汞灯（又称水银灯）可作为单色光源，它们的工作原理都是以金属Na或Hg蒸汽在强电场中发生的游离放电现象为基础的弧光放电灯.在220V额定电压下，低压钠灯发出波长为589.0nm和589.6nm的两种单色黄光最强，可达85%，而其他几种波长为818.0nm和819.1nm等的光仅有15%.因此，在一样应历时取589.0nm和589.6nm的平均值589.3nm作为钠光灯的波长值.汞灯可按其气压的高低，分为低压汞灯、高压汞灯和超高压汞灯.低压汞灯最为经常使用，其电源电压与管端工作电压别离为220V和20V，正常点燃时发出青紫色光，其中要紧包括7种可见的单色光，它们的波长别离是612.35nm（红）、7nm（绿）、491.60nm（蓝绿）、435.84nm（蓝紫）、404.66nm（紫）.利用钠灯和汞灯时，灯管必需与必然规格的镇流器（限流器）串联后才能接到电源上去，以稳固工作电流.钠灯和汞灯点燃后一样要预热3〜4分钟才能正常工作，熄灭后也需冷却3〜4分钟后，方可从头开启.激光光源激光是20世纪60年代诞生的新光源.激光（Laser）是“受激辐射光放大”的简称.它具有发光强度大、方向性好、单色性强和相干性好等优势.激光器是产生激光的装置，它的种类很多，如氦氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、红宝石激光器等.实验室中经常使用的激光器是氦氖（He-Ne）激光器.它由激光工作的氦氖混合气体、鼓励装置和光学谐振腔3部份组成.氦氖激光器发出的光波波长为632.8nm，输出功率在几毫瓦到十几毫瓦之间，多数氦氖激光管的管长为