大物实验4--偏振光实验(六)

偏振光实验（六）实验目的1、观察光的偏振现象，加深偏振的基本概念；2、验证马吕斯定律；3、观察光以布韦斯特角度入射的偏振现象；4、观察波片现象，加深拨片的基本概念。实验原理1、光的偏振性光是一种电磁波，由于电磁波对物质的作用主要是电场，故在光学中把电场强度E称为光矢量。在垂直于光波传播方向的平面内，光矢量可能有不同的振动方向，通常把光矢量保持一定振动方向上的状态称为偏振态。如果光在传播过程中，若光矢量保持在固定平面上振动，这种振动状态称为平面振动态，此平面就称为振动面（见图１）。此时光矢量在垂直与传播方向平面上的投影为一条直线，故又称为线偏振态。若光矢量绕着传播方向旋转，其端点描绘的轨道为一个圆，这种偏振态称为圆偏振态。如光矢量端点旋转的轨迹为一椭圆，就成为椭圆偏振态（见图2）。2、偏振片虽然普通光源发出自然光，但在自然界中存在着各种偏振光，目前广泛使用的偏振光的器件是人造偏振片，它利用二向色性获得偏振光（有些各向同性介质，在某种作用下会呈现各向异性，能强烈吸收入射光矢量在某方向上的分量，而通过其垂直分量，从而使入射的自然光变为偏振光介质的这种性质称为二向色性。）。偏振器件即可以用来使自然光变为平面偏振光——起偏，也可以用来鉴别线偏振光、自然光和部分偏振光——检偏。用作起偏的偏振片叫做起偏器，用作检偏的偏振器件叫做检偏器。实际上，起偏器和检偏器是通用的。3、布儒斯特角 当光从折射率为n1的介质（例如空气）入射到折射率为n2的介质（例如玻璃）交界面，而入射角又满足时，反射光即成完全偏振光，其振动面垂直于入射面。iB称布儒斯特角，上式即布儒斯特定律。显然，θB角的大小因相关物质折射率大小而异。若n1表示的是空气折射率，（数值近似等于1）上式可写成4、马吕斯定律 如果光源中的任一波列（用振动平面E表示）投射在起偏器P上（如下图），只有相当于它的成份之一的Ey（平行于光轴方向的矢量）能够通过，另一成份Ex（=Ecosθ）则被吸收。与此类似，若（这里θ是P与A偏振化方向之间的夹角）。由于光强与振幅的平方成正比，可知透射光强I随θ而变化的关系为这就是马吕斯定律。5、波片 若使线偏振光垂直入射一透光面平行于光轴，厚度为d的晶片，此光因晶片的各向异性而分裂成遵从折射定律的寻常光（o光）和不遵从折射定律的非常光（e光）。因o光和e光在晶体中这两个相互垂直的振动方向有不同的光速，分别称做快轴和慢轴。设入射光振幅为A，振动方向与光轴夹角为θ，入射晶面后o光和e光振幅分别为Asinθ和Acosθ,出射后相位差式中λ0是光在真空中的波长，no和ne分别是o光和e光的折射率。这种能使相互垂直振动的平面偏振光产生一定相位差的晶片就叫做波片。 如果以平行于波片光轴方向为x坐标，，垂直于光轴方向为y坐标出射的o光和e光可用两个简谐振动方程式表示：该两式的合振动方程式可写成一般说来，这是一个椭圆方程，代表椭圆偏振光。但是当 （k＝1、2、3…）或 （k＝0、1、2…）时，合振动变成振动方向不同的线偏振光。后一种情况，晶片厚度可使o光和e光产生（2k+1）λ/2的光程差，这样的晶片称做半波片,而当 （k＝1、2、3…）时，合振动方程化为正椭圆方程这时晶片厚度，称做1/4波片。它能使线偏振光改变偏振态，变成椭圆偏振光。但是当入射光振动面与波片光轴夹角θ＝45°时，Ae＝Ao，合振动方程可写成即获得圆偏振光。实验内容和步骤1、偏振光显示的观察1.1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方位，旋转P2，旋转360，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10记录一次相应的光电流值，共转180，在坐标纸上作出I0～cos2关系曲线。1.2验证马吕斯定律（1）在导轨两端分别安装半导体激光器和功率计探头，使激光束等高进入功率计探头的6毫米光阑孔。（2）靠近激光器加入一个偏振片，将功率计探头接入功率计。（3）功率计清零：关闭激光器，调节功率计调零旋钮使功率计读数为零。（4）打开激光器，转动偏振片，观察功率计上读数，停止在一个小于1的较大的读数上（可选适当档位）。（5）靠近功率计探头处加入另一个偏振片，作为检偏器用，转动检偏器，当功率计读数恰好出现零时停住。记录检偏器上实测角度和功率计读数。（6）沿同一方向转动检偏器，每转15度记录功率计读数。2，观测波片现象2.1分析1/4波片的作用 先使线偏振光的偏振面P与检偏器A的光轴正交（这时通过A的光强显示最小），然后在两个偏振棱镜之间加入1/4波片Q，并转动Q，直到通过A的光强恢复到最小。从此位置每当Q转动15°，30°，45°，60°，75°和90°时，都将A转动360°，（1）转动检偏器使重新使系统进入功率计读数为零的消光状态，在起偏器和检偏器之间插入1/4波片。此时系统将可能有光通过。转动1/4波片，使系统重新进入消光状态。此时1/4波片的光轴与起偏器的偏振方向平行。（2）转动1/4波片15度，记录功率计读数和检偏器角度后，转动检偏器360度，记录其中功率计极值读数和对应的检偏器实测角度。（3）沿同一方向以每次15度的间隔转动1/4波片，重复2。2的操作。2.2观察线偏振光通过1/2波片时的现象（在前面实验的基础上进行）（1）固定起偏器，转动检偏器至消光位置并固定不动。（2）在起偏器与检偏器之间插入1/2波长片。（3）转动1/2波长片一周，能看到几次消光？（4）转1/2波长片，并在“出光”一侧观察直至出现消光现象。记下此时1/2波长片与检偏器的角度值。（5）转动1/2波长片，其角度α

=

15，此时，消光被破坏，在转动检偏器至消光位置，再记下