偏振光的观测与研究教案

大学物理实验课程教案课次授课方式（请打√）理论课□讨论课□实验课习题课□其他□课时安排3授课题目（教学章、节或主题）：偏振光的观测与研究教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：观察光的偏振现象，加深对偏振概念的理解．了解偏振光的产生和检验方法．观测布儒斯特角及测定玻璃折射率．学会区别自然光和圆偏振光、部分偏振光和椭圆偏振光.教学重点及难点：重点：了解偏振光的产生和检验方法．难点：观测布儒斯特角及测定玻璃折射率教学基本内容方法及手段偏振光的基本概念获得偏振光的常用方法偏振片、波片及其作用起偏与检偏鉴别自然光与偏振光，验证马吕斯定律观测布儒斯特角及测定玻璃折射率观察椭圆偏振光和圆偏振光考察平面偏振光通过1/2波片时的现象1.提问抽查学生预习情况2.讲解实验主要内容及注意事项3.实物讲解介绍仪器设备及注意事项4.通过辅导或提示帮助学生解决实验中遇到的困难和障碍作业、讨论题、思考题：什么是马吕斯定律？本实验如何验证此定律？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还是在垂直于入射面内？如何通过一个偏振片来判别自然光和线偏振光？如何区别自然光和圆偏振光？如何区别部分偏振光和椭圆偏振光？课后小结：指导学生实验时，既要面面俱到，事无俱细进行引导，同时，又要注意切忌包办代替。从实验材料的选择、仪器的装配到操作步骤和技巧，既要科学规范，又要密切结合具体实际，在尊重学生主体地位的同时，充分发挥教师的引导作用，以保证现象清晰，结果正确。学生的动手能力个有不同，应该因材施教，针对不同的学生，适当加深实验的难度。偏振光的观测与研究引入实验：目前偏振光的应用已遍及工农业、医学、国防等部门．利用偏振光的各种精密仪器，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．因此我们要了解掌握偏振光的特性，学会其应用。实验原理1．偏振光的基本概念按照光的电磁理论，光波就是电磁波，它的电矢量E和磁矢量H相互垂直．两者均垂直于光的传播方向．从视觉和感光材料的特性上看，引起视觉和化学反应的是光的电矢量，通常用电矢量E代表光的振动方向，并将电矢量E和光的传播方向所构成的平面称为光振动面．在传播过程中，光的振动方向始终在某一确定方位的光称为平面偏振光或线偏振光，如图1（a）．光源发射的光是由大量原子或分子辐射构成的．由于热运动和辐射的随机性，大量原子或分子发射的光的振动面出现在各个方向的几率是相同的．一般来说，在10－6s内各个方向电矢量的时间平均值相等，故出现如图1（b）所示的所谓自然光．有些光的振动面在某个特定方向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较强，这就是如图1（c）所示的部分偏振光．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则的变化，其电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的移动轨迹呈椭圆（或圆形），这样的光称为椭圆偏振光（或圆偏振光），如图1（d）所示．图1光波按偏振的分类2．获得偏振光的常用方法(1)非金属镜面的反射通常自然光在两种媒质的界面上反射和折射时，反射光和折射光都将成为部分偏振光．但当入射角增大到某一特定值时，镜面反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于入射面，如图16-4-2所示，这时入射角称为布儒斯特角，也称为起偏角．图图2布儒斯特定律示意图图中“”、“－”均表示电矢量，反射光是振动面与入射面垂直的完全偏振光，折射光是部分偏振光．由布儒斯特定律得：其中、分别为两种介质的折射率．如果自然光从空气入射到玻璃表面而反射时，对于各种不同材料的玻璃，已知其折射率的变化范围在1.50到1.77之间，则可得布儒斯特角约在560—600之间．此方法可用来测定物质的折射率．(2)多层玻璃片的折射当自然光以布儒斯特角入射到由多层平行玻璃片重叠在一起构成的玻璃片堆上时，由于在各个界面上的反射光都是振动面垂直入射面的线偏振光，故经过多次反射后，透出来的透射光也就接近于振动方向平行于入射面的线偏振光．(3)利用偏振片的二向色性起偏将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏．某些有机化合物晶体（如硫酸碘奎宁或硫酸奎宁碱）具有二向色性，它往往吸收某一振动方向的入射光，而与此方向垂直振动的光则能透过，从而可获得线偏振光．利用这类材料制成的偏振片可获得较大截面积的偏振光束，但由于吸收不完全，所得的偏振光只能达到一定的偏振度．(4)利用晶体的双折射起偏自然光通过各向异性的晶体时将发生双折射现象，双折射产生的寻常光（o光）和非寻常光（e光）均为线偏振光．o光光矢量的振动方向垂直于自己的主截面；e光光矢量的振动方向在自己的主截面内．方解石是典型的天然双折射晶体，常用它制成特殊的棱镜以产生线偏振光．利用方解石制成的沃拉斯顿棱镜能产生振动面互相垂直的两束线偏振光；用方解石胶合成的尼科耳棱镜能给出一个有固定振动面的线偏振光．3．偏振片、波片及其作用(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，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I0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为：I=I0cos2式中为入射偏振光的偏振方向与检偏器偏振方向之间的夹角，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=时，透射光强最大；当=90时，透射光强为极小值（消光状态），当<<90时，透射光强介于最大和最小值之间，如图3所示，自然光通过起偏器与检偏器的变化．SHAPE图3光的起偏和检偏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．(2)波片波片是用单轴晶体切成的表面平行于光轴的薄片．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，会产生双折射现象，寻常光（o光）和非寻常光(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：其中，为入射偏振光在真空中的波长，no和ne分别为晶片对o光和e光的折射率，L为晶片的厚度．我们知道，两个互相垂直的、频率相同且有固定相位差的简谐振动，可用下列方程表示：从两式中消去t，经三角运算后得到合振动的方程式为由此式可知，当时，，为线偏振光．当时，，为正椭圆偏振光．在=时，为圆偏振光．当为其它值时，为椭圆偏振光．在某一波长的线偏振光垂直入射到晶片的情况下，能使o光和e光产生相位差（相当于光程差为的奇数倍）的晶片，称为对应于该单色光的二分之一波片（1/2波片）或波片；与此相似，能使o光和e光产生相位差（相当于光程差为的奇数倍）的晶片，称为四分之一波片（1/4波片）或波片．本实验中所用波片是对（激光）而言的．如图4所示，当振幅为A的线偏振光垂直入射到1/4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A和A，所以通过1/4波片合成的偏振状态也随角度的变化而不同．图4线偏振光经过1/4波片示意图图5线偏振光经过1/2波片示意图当=时，获得振动方向平行于光轴的线偏振光（e光）．当=/2时，获得振动方向垂直于光轴的线偏振光（o光）．当=/4时，Ae=Ao获得圆偏振光．当为其它值时，经过1/4波片后为椭圆偏振光．所以，可以用1/4波片获得椭圆偏振光和圆偏振光．当线偏振光经过1/2波片后，Ae与Ao的位相差位，如图5两列光波合成后仍然为线偏振光，但振动方向较原方向转动了2角度。实验仪器光具座，He-Ne激光器，偏振片（起偏器、检偏器），1/4波片，1/2波片，硅光电池，偏振光实验仪，观测布儒斯特角装置．图6实验仪器实物图实验内容与步骤1．起偏与检偏鉴别自然光与偏振光，验证马吕斯定律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．在起偏器P1后面再插入检偏器P2．固定P1的方位,将P2转动3600，观察光屏上光斑强度的变化情况．有几个消光方位？以硅光电池代替光屏接收P2出射的光束，旋转P2，记录相应的光电流值，共转900，在坐标纸上作出I~cos2θ关系曲线．2．观测布儒斯特角及测定玻璃折射率图7图7布儒斯特定律示意图（入射光为线偏振光）在起偏器P1后，放入测布儒斯特角的装置，然后调节起偏角度，使透射出来的偏振光的偏振方向水平（保证偏振方向在入射面内）。旋转载物玻璃平板，使反射的光束与入射光束重合（即观察起偏器上的入射光点和反射光点重合），记下此时载物玻璃平板的初始角度．一面转动载物玻璃平板，一面手拿光屏，接收反射光．反复调节直到反射光消光为止，记下载物玻璃平板的角度，重复测量三次．根据表2所示，求出和平均值，最后根据（＝1为空气的折射率）得出玻璃的折射率．3．观察椭圆偏振光和圆偏振光先使起偏器P1和检偏器P2的偏振方向垂直（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1/4波片，转动波片使P2后的光屏上仍处于消光状态（此时=）．从=的位置开始，使检偏器P2转动，这时可以从屏上光强的变化看到经过1/4波片后的光为线偏振光．取=900，使检偏器P2转动，这时也可以从屏上光强的变化看到经过1/4波片后的光为线偏振光．其振动面与=时的振动面垂直．取为除00和900外的其他值，观察转动P2时屏上光强的变化，其结果与椭圆偏振光对应．特别是当=450时，P2转动时屏上光强几乎不变，这便是圆偏振光对应的状态．4．考察平面偏振光通过1/2波片时的现象（1）按图8在光具座上依次放置各元件，使起偏器P1的振动面为垂直，检偏器P2的振动面为水平（此时应观察到消光现象）．SPSP1CP2S光源P1起偏器P2检偏器C1/2波片图8线偏振光通过1/2波片光路图（2）在P1、P2之间插入1/2波片（C），将C转动360o，能看到几次消光？解释这一现象．（3）将C转任意角度，这时消光现象被破坏，把P2转动360o，观察到什么现象？由此说明通过1/2波片后，光变成怎样的偏振状态？（4）仍使P1、P2处于正交，插入C，使消光，再将C转15o，破坏其消光．转动P2至消光位置，并记录P2所转动的角度．（5）继续将C转15o（即总转动角为30o，）记录A达到消光所转总角度，依次使C总转角45o、60o、75o、90o．记录P2消光时所转总角度．从上面实验结果得出什么规律？怎么解释这一规律．【注意事项】1．实验中各元件不能用手摸，实验完毕后按规定位置放好．2．不要让激光束直接照射或反射到眼睛内．【数据记录及处理】表1马吕斯定律验证实验P1与P2偏振化方向夹角光功率的读数I（）实验I/I0=cos2理论I/I0=cos2000.801.001.003000.560.700.754500.260.320.506000.160.200.259000.200.030.00表2玻璃折射率的测定与计算次数载物玻璃平板的角位置布儒斯特角玻璃折射率=光垂直入射时反射光消光时１132.0o75.5o56.5o56.53o1.51２78.4o21.5o56.9o３20.6o-35.6o56.2o表3平面偏振光通过1/2波片时变化规律C转动角度P2初始角度P2末角度P2转动角度15o114.0o142.1o28.1o30o172.9o58.9o45o200.0o86.0o60o233.0o119.0o75o264.5o150.5o90o294.4o180.4o【思考题】1.区分自然光和圆偏振光：如果用偏振片进行观察时，光强随偏振片的转动没有变