激光光现象偏振剖析.doc

光偏振现象

目的：
    1、学习产生和鉴别各种偏振光并对其进行观察和分析
    2、了解和掌握偏振片、1/4波片、1/2波片的作用和应用
仪器：
    偏振光实验仪
原理：
    一、偏振光的种类
      按光矢量的不同振动状态可以把光分为五种偏振态：
          （1）自然光（对称光）---在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量的方向是任意的，且各个方向的振幅相等。
          （2）部分偏振光----在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量的方向是任意的，有的方向光矢量的振幅较大，有的方向光矢量振幅较小。
          （3）线偏振光------光矢量沿着一个固定方向振动，且振幅不变。
          （4）圆偏振光------光矢量的大小和方向随时间作周期性变化，且光矢量的末端在垂直于光传播方向的平面内轨迹是圆
（5）       椭圆偏振光----光矢量的大小和方向随时间作周期性变化，且光矢量的末端在垂直于光传播方向的平面内轨迹是椭圆
          二、偏振光的产生
（1） 偏振片产生线偏振光
偏振片是利用某些有机化合物晶体的“二向色性”制成的，当自然光通过这种偏振片后，光矢量垂直于偏振片透振方向的分量几乎完全被吸收，光矢量平行于透振方向的分量几乎完全通过，因此透射光基本上为线偏振光。（偏振片只能透过某一个振动方向的光，把偏振片能够透过的振动方向称为其透振方向。）根据这一原理还可以用偏振片来检验是否是线偏振光。用来产生线偏振光的的偏振片叫做起偏器，用来检验线偏振光的偏振片叫做检偏器。
 （2）反射和折射产生偏振
根据布儒斯特定律，当自然光以的入射角从空气或真空入射至折射率为n的介质表面上时，其反射光为完全的线偏振光，振动面垂直于入射面；而透射光为部分偏振光。称为布儒斯特角。如果自然光以入射到一叠平行玻璃片堆上，则经过多次反射和折射，最后从玻璃片堆透射出来的光也接近于线偏振光，振动面平行于入射面。
（3）线偏振光通过各种波片后偏振态的改变
如果入射线偏振光的振动方向与波片的光轴夹角为0或π/2，则任何波片对它都不起作用，即从波片出射的光仍为原来的线偏振光。而如果不为0或π/2，线偏振光通过1/2波片后，出来的也仍为线偏振光，但它振动方向将旋转2θ，即出射光和入射光的电矢量对称于光轴；线偏振光通过1/4波片后，则可能产生线偏振光、圆偏振光和长轴与光轴垂直或平行的椭圆偏振光，这取决于入射线偏振光振动方向与光轴夹角θ，时产生圆偏振光。
  三、偏振光的鉴别
鉴别入射光的偏振态须借助于检偏器（偏振片）和1/4波片。使入射光通过检偏器后，检测其透射光强并转动检偏器；若出现透射光强为零（称“消光”）现象，则入射光必为线偏振光；若透射光的强度没有变化，则可能为自然光或圆偏振光（或两者的混合）；若转动检偏器，透射光强虽有变化但不出现消光现象，则入射光可能是椭圆偏振光或部分偏振光。要进一步作出鉴别，则需在入射光与检偏器之间插入一块1/4波片。若入射光是圆偏振光，则通过1/4波片后将变成线偏振光，当1/4波片的光轴与被检测的椭圆偏振光的长轴或短轴平行时，透射光也为线偏振光，于是转动检偏器也会出现消光现象；否则，就是部分偏振光。 
步骤（实验内容）：
           1、用偏振片产生线偏振光
    将两个偏振片（起偏器和检偏器）叠置在一起，使二者相对转动，观察记录现象并分析

透过检偏器观察的现象
经过起偏器后光的偏振性质
0°
透过的光最强

线偏振光
0°90°
透过的光逐渐变暗
90°
不透光---“消光”
90°180°
透过的光逐渐变亮
180°
透过的光最强

    *角为起偏器透振方向和检偏器透振方向的夹角

   2、反射产生的线偏振光

  如图1所示，转动检偏器观察记录现象并分析。

透过检偏器观察的现象
经过反射镜后光的偏振性质
0°
透过的光最强

振动方向为竖直的线偏振光
0°90°
透过的光逐渐变暗
90°
不透光---“消光”
90°180°
透过的光逐渐变亮
180°
透过的光最强

    *角为检偏器透振方向和竖直方向的夹角

    3、多次折射产生的偏振
图2

如图2所示，转动检偏器观察记录现象并分析

透过检偏器观察的现象
经过反射镜后光的偏振性质
0°
不透光---“消光

振动方向为水平的线偏振光
0°90°
透过的光逐渐变亮
90°
透过的光最亮
90°180°
透过的光逐渐变暗
180°
不透光---“消光

      *角为检偏器透振方向和竖直方向的夹角
经比较可知反射产生的偏振光与多次折射产生的偏振光的振动方向垂直。

4、1/4波片作用

如图3所示安装仪器进行操作，观察记录现象并分析

检偏器逐渐旋转360°观察到的现象
经1/4波片后光的偏振性质
0°
检偏器和起偏器的透振方向垂直时消光；
由垂直转向平行时逐渐变亮；
检偏器和起偏器的透振方向平行时最亮；
由平行转向垂直时逐渐变暗

原来的线偏振光
30°
在转动过程中光强有变化但无消光，且光
最亮与最暗之间转过的角度接近90°
椭圆偏振光
45°
在转动过程中光强几乎无变化
接近于圆偏振光
60°
在转动过程中光强有变化但无消光，且光
最亮与最暗之间转过的角度接近90°
椭圆偏振光
90°
检偏器和起偏器的透振方向垂直时消光；
由垂直转向平行时逐渐变亮；
检偏器和起偏器的透振方向平行时最亮；
由平行转向垂直时逐渐变暗

原来的线偏振光

*角为1/4波片光轴方向和起偏器透振方向（即原线偏振光振动方向）的夹角。

5、1/2波片作用
（此部分内容可根据时间选做）
将图3中的1/4波片换成1/2波片进行操作，观察记录现象并分析

检偏器逐渐旋转360°观察到的现象
经1/2波片后光的偏振性质

0°
检偏器和起偏器的透振方向垂直时消光；
由垂直转向平行时逐渐变亮；
检偏器和起偏器的透振方向平行时最亮；
由平行转向垂直时逐渐变暗

原来的线偏振光
（应接近0°）
15°
有两次消光，两次最亮；相差接近90°
线偏振光
（应接近30°）
30°
有两次消光，两次最亮；相差接近90°
线偏振光
（应接近60°）
45°
有两次消光，两次最亮；相差接近90°
线偏振光
（应接近90°）
90°
检偏器和起偏器的透振方向垂直时消光；
由垂直转向平行时逐渐变亮；
检偏器和起偏器的透振方向平行时最亮；
由平行转向垂直时逐渐变暗

原来的线偏振光
（应接180°）
*角为1/2波片光轴方向和起偏器透振方向（即原线偏振光振动方向）的夹角。
为经过1/2波片后线偏振光振动方向旋转的角度，理论上 =2，实验中测得值应接近2