大学物理实验偏振光的观测与研究应用.doc

实验3.8 偏振光观测与研究
偏振光理论意义和价值是，证明了光是横波。同步，偏振光在诸多技术领域得到了广泛应用。如偏振现象应用在照相技术中可大大减小反射光影响，运用电光效应制作电光开关等。
【实验目】
1．通过观测光偏振现象，加深对光波传播规律结识。
2．掌握偏振光产生和检查办法。
3．观测布儒斯特角及测定玻璃折射率。
4．观测圆偏振光和椭圆偏振光。
【实验仪器】
光具座、激光器、光点检流计、起偏器、检偏器、1/4波片、1/2波片、光电转换装置、观测布儒斯特角装置、带小孔光屏、钠光灯。
【实验原理】
按照光电磁理论，光波就是电磁波，电磁波是横波，因此光波也是横波。在大多数状况下，电磁辐射同物质互相作用时，起重要作用是电场，因而常以电矢量作为光波振动矢量。其振动方向相对于传播方向一种空间取向称为偏振，光这种偏振现象是横波特性。

图3-26 自然光
依照偏振概念，如果电矢量振动只限于某一拟定方向光，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变化，其末端在垂直于传播方向平面上轨迹呈椭圆（或圆），这样光称为椭圆偏振光（或圆偏振光）；若电矢量取向与大小都随时间作无规则变化，各方向取向率相似，称为自然光，如图3-26所示；若电矢量在某一拟定方向上最强，且各向电振动无固定相位关系，则称为偏振光。
1．获得偏振光办法
（1）非金属镜面反射，当自然光从空气照射在折射率为n非金属镜面（如玻璃、水等）上，反射光与折射光都将成为某些偏振光。当入射角增大到某一特定值φ0时，镜面反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于射面，这时入射角φ称为布儒斯特角，也称起偏振角，由布儒斯特定律得：
（3-51）
其中，n为折射率。
（2）多层玻璃片折射，当自然光以布儒斯特角入射到叠在一起多层平行玻璃片上时，通过多次反射后透过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限度线偏振光。
2．偏振片、波片及其作用
（1）偏振片
偏振片是运用某些有机化合物晶体二向色性，将其渗入透明塑料薄膜中，经定向拉制而成。它能吸取某一方向振动光，而透过与此垂直方向振动光，由于在应用时起作用不同而叫法不同，用来产生偏振光偏振片叫做起偏器，用来检查偏振光偏振片叫做检偏器。
按照马吕斯定律，强度为I0线偏振光通过检偏器后，透射光强度为：
（3-52）
式中为入射偏振光偏振方向与检偏器偏振化方向之间夹角，显然当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度I发生周期性变化。当=0°时，透射光强最大；当=90°时，透射光强为极小值（消光状态）；当0°<<90°时，透射光强介于最大和最小之间。
自然光通过起偏器后可变为线偏振光，线偏振光振动方向与起偏器透光轴方向一致。因而，如果检偏器透光轴与起偏器透光轴平行，则在检偏器背面可看到一定光强，如果两者垂直时，则无光透过，如图3-27所示。其中（a）图为起偏器透光轴P1与检偏器透光轴P2平行状况；（b）图为起偏器透光轴P1与检偏器透光轴P2垂直状况。此时透射光强为零，此种现象称为消光。在实验中要经常运用“消光”现象来判断光偏振状态。

图3-27 偏振光
（2）波片
波片也称相位延迟片，是由晶体制成厚度均匀薄片，其光轴与薄片表面平行，它能使晶片内o光和e光通过晶片后产生附加相位差。依照薄片厚度不同，可以分为1/2波长片，1/4波长片等，所用1/2、1/4波长片皆是对钠光而言。
当线偏振光垂直射到厚度为L，表面平行于自身光轴单轴晶片时，则寻常光（o光）和非常光（e光）沿同一方面迈进，但传播速度不同。这两种偏振光通过晶片后，它们相位差φ为：
（3-53）
其中，为入射偏振光在真空中波长，no和ne分别为晶片对o光e光折射率，L为晶片厚度。
咱们懂得，两个互相垂直，同频率且有固定相位差简谐振动，可用下列方程表达（通过晶片后o光和e光振动）：

从两式中消去t，经三角运算后得到全振动方程式为：
（3-54）
由此式可知；
①当=K（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Ao = Ae时，为圆偏振光。
③当为其她值时，为椭圆偏振光。
在某一波长线偏振光垂直入射于晶片状况下，能使o光和e光产生相位差= (2K + 1)（相称于光程差为/2奇数倍）晶片，称为相应于该单色光一半波片（/2波片），与此相似，能使o光和e光产生相位（相称于光程差为λ/4奇数倍）晶片，称为四分之一波片（/4波片）。本实验中所用波片（/4）是对6328A（He-Ne激光）而言。
如图3-28所示，当振幅为A线偏振光垂直入射到/4波片上，振动方向与波片光轴成角时，由于o光和e光振幅分别为Asin和Acos，因此通过/4波片后合成偏振状态也随角度变化而不同。
① 当=0°时，获得振动方向平行于光轴线偏振光。
② 当=/2时，获得振动方向垂直于光轴线偏振光。
③ 当=/4时，Ae = Ao获得圆偏振光。
④ 当为其她值时，通过/4波片后为椭圆偏振光。
3．椭圆偏振光测量
椭圆偏振光测量涉及长、短轴之比及长、短轴方位测定。如图3-29所示，当检偏器方位与椭圆长轴夹角为时，则透射光强为：

图3-28 图3-29
当=时

当时

则椭圆长短轴之比为
（3-55）
椭圆长轴方位即为方位。
【实验内容与环节】
1．起偏与检偏鉴别自然光与偏振光
（1）在光源至光屏光路上插入起偏器P1，旋转P1，观测光屏上光斑强度变化状况。
（2）在起偏器P1背面再插入检偏器P2，固定P1方位，旋转P2，旋转360°，观测光屏上光斑强度变化状况。有几种消光方位？
（3）以硅光电池代替光屏接受P2出射光束，旋转P2，每转过10°记录一次相应光电流值，共转180°，在坐标纸上作出I0～cos2关系曲线。
2．观测布儒斯特角及测定玻璃折射率
（1）在起偏器P1后插入测布儒斯特角装置，再在P1和装置之间插入一种带小孔光屏。调节玻璃平板，使反射光束与入射光束重叠，记下初始角。
（2）一面转动玻璃平板，一面同步转动起偏器P1，使其透过方向在入射面内。重复调节直到反射光消失为止，此时记下玻璃平板角度，重复测量三次，求平均值，算出布儒斯特角。
（3）把玻璃平板固定在布儒斯特角位置上，去掉起偏器P1，在反射光束中插入检偏器P2，旋转P2，观测反射光偏振状态。
3．观测椭圆偏振光和圆偏振光
（1）如图3-30所示，先使起偏器P1和检偏器P2偏振轴垂直（即检偏器P2后光屏上处在消光状态），在起偏器P1和检偏器P2之间插入/4波片，转动波片使P2后光屏上仍处在消光状态。用硅光电池（及光点检流计构成光电转换器）取代光屏。

图3-30
（2）将起偏器P1转过20°，调节硅光电池使透过P2光所有进入硅光电池接受孔内。转动检偏器P2找出最大电流位置，并记下光电流数值。重复测量3次，求平均值。
（3）转动P1，使P1光轴与/4波片光轴夹角依次为30°、45°、60°、75°、90°值，在取上述每一种角度时，都将检偏器P2转动一周，观测从P2透出光强度变化。
4．观测线偏振光通过1/2波片时现象（在前面实验基本上进行）
（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”一侧观测直至浮现消光现象。记下此时1/2波长片与检偏器角度值。
（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，再记下此时1/2波长片与检偏器角度值。
（6）继续进行类似调节，使得1/2波长片转过角度依次为30°，45°，60°，75°和90°，相应调节检偏器至消光位置，记下此时角度值。
将以上所记角度值填入表3-10中。
表3-10 线偏振光通过1/2波片数据记录
1/2波长片转动
检偏器P
α角度值
起始位置角度值
转至消光位置角度值
检偏器转过角度值
15

30

45

60

75

90

从上面实验成果可以得出什么规律？如何解释这一规律。
【数据解决】
（1）数据表格自拟。
（2）在坐标纸上描绘出Ip～cos2关系曲线。
（3）求出布儒斯特角，并由公式（3-51）求出平板玻璃相对折射率。
（4）由公式（3-55）求出20°时椭圆偏振光长、短轴之比，并以理论值为准求出相对误差。
【思考题】
1．如何应用光偏振现象阐明光横波特性？如何区别自然光和偏振光？
2．玻璃平板在布儒斯特角位置上时，反射光束是什么偏振光？它振动是在平行于入射面内还是在垂直于入射面内？
3．波片与P1夹角为什么值时产生圆偏振光？为什么？
4．两片偏振片用支架安顿于光具座上，正交后消光，一片不动，另一片2个表面旋转180°，会有什么现象？如有出射光，是什么因素？
5．2片正交偏振片中间再插入一偏振片会有什么现象？如何解释？
6．波片厚度与光源波长什么关系？
附：光学实验中惯用光源
可以发光物体统称为光源。实验室中惯用是将电能转换为光能光源—电光源。常用有热辐射光源和气体放电光源及激光光源3类。
1．热辐射光源
惯用热辐射光源是白炽灯。普通灯泡就是白炽灯，可作白色光源，应按仪器规定和灯泡上指定电压使用，如光具座、分光计、读数显微镜等。
2．气体放电光源
实验室惯用钠灯和汞灯（又称水银灯）可作为单色光源，它们工作原理都是以金属Na或Hg蒸汽在强电场中发生游离放电现象为基本弧光放电灯。
在220V额定电压下，低压钠灯发出波长为589.0nm和589.6nm两种单色黄光最强，可达85%，而其她几种波长为818.0nm和819.1nm等光仅有15%。因此，在普通应用时取589.0nm和589.6nm平均值589.3nm作为钠光灯波长值。
汞灯可按其气压高低，分为低压汞灯、高压汞灯和超高压汞灯。低压汞灯最为惯用，其电源电压与管端工作电压分别为220V和20V，正常点燃时发出青紫色光，其中重要涉及7种可见单色光，它们波长分别是612.35nm（红）、579.07nm和576.96nm（黄）、546.07nm（绿）、491.60nm（蓝绿）、435.84nm（蓝紫）、404.66nm（紫）。
使用钠灯和汞灯时，灯管必要与一定规格镇流器（限流器）串联后才干接到电源上去，以稳定工作电流。钠灯和汞灯点燃后普通要预热3～4分钟才干正常工作，熄灭后也需冷却3～4分钟后，方可重新启动。
3．激光光源
激光是20世纪60年代诞生新光源。激光（Laser）是“受激辐射光放大”简称。它具备发光强度大、方向性好、单色性强和相干性好等长处。激光器是产生激光装置，它种类诸多，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。
实验室中惯用激光器是氦氖（He-Ne）激光器。它由激光工作氦氖混合气体、勉励装置和光学谐振腔3某些构成。氦氖激光器发出光波波长为632.8nm，输出功率在几毫瓦到十几毫瓦之间，多数氦氖激光管管长为200～300mm，两端所加高压是由倍压整流或开关电源产生，电压高达1500～8000V，操作时应严防触摸，以免导致触电事故。由于激光束输出能量集中，强度较高，使用时应注意切勿迎着激光束直接用眼睛观看。
当前，气体放电灯供电电源广泛采用电子整流器，这种整流器内部由开关电源电路构成，具备耗电小、使用以便等长处。
光学实验中，常把光束扩大或产生点光源以满足详细实验规定，图3-31和图3-32表达两种扩束办法，它们分别提供球面光波和平面光波。

图3-31 图3-32