偏振現(xiàn)象的觀察與分析.ppt

偏振現(xiàn)象的觀察與分析,王景聚,實驗?zāi)康?1.觀察光的偏振現(xiàn)象,鞏固理論知識. 2.掌握產(chǎn)生與檢驗偏振光的原理和方法.,儀器及用具,分光計、納光燈、偏振片、1/4波片、半波片和平面鏡等.,原理,光是一種電磁波,它的電矢量E和磁矢量H相互垂直,且均垂直于光的傳播方向.通常用電矢量E代表光的振動方向,并將電矢量E和光的傳播方向所構(gòu)成的平面稱為該偏振光的振動面.在傳播過程中,電矢量的振動方向始終在某一確定方向的光稱為平面偏振光或線偏振光.若振動只是在某一確定的方向上占有相對優(yōu)勢,則稱為部分偏振光.還有一些光,它的振動面和電矢量隨時間作有規(guī)律的變化,而電矢量末端在垂直與傳播方向的平面上的軌跡呈橢圓或圓,這樣的光稱為橢圓偏振光或圓偏振光.,1.平面偏振光的產(chǎn)生與檢驗,（1）利用反射（或透射）起偏 自然光在某些非金屬（如水、玻璃等）表面上反射時,一般說來,反射光和折射光都是部分偏振光,由布儒斯特定律可知,反射光與折射光偏振化的程度決定于光在空氣中的入射角,當(dāng),n1,n2,N,反射光為完全偏振光,其振動面與入射面垂直,入射角稱為布儒斯特角亦稱全偏振角.對于空氣的折射率n1=1.00,玻璃的折射率n2=1.50, 布儒斯特角約為 =56.3.,1.平面偏振光的產(chǎn)生與檢驗,（2）利用晶體的雙折射起偏,當(dāng)自然光入射到某些各向異性晶體（如冰洲石、石英）時,在晶體內(nèi)折射后分解為兩束平面偏振光,并以不同速度在晶體內(nèi)傳播,這種現(xiàn)象稱為雙折射.在方解石、石英等晶體內(nèi),都有一個特殊方向,光沿這個方向傳播時,不發(fā)生雙折射,這個方向稱為晶體的光軸,通過光軸并與晶體表面正交的平面稱為主截面.若入射面與主截面重合則雙折射產(chǎn)生的兩束平面偏振光的振動面互相垂直,其中一束光的振動垂直于晶體主截面,稱為尋常光（簡稱O光）.另一束光的振動平行于晶體的主截面,稱為非常光（簡稱e光）,在晶體內(nèi)只有沿光軸方向傳播時O光和e光的速度相等,而沿其它方向傳播時它們的速度不相等.,1.平面偏振光的產(chǎn)生與檢驗,（3）利用晶體的二向色性起偏,有些晶體（如電氣石人造偏振片等）對兩個相互垂直振動的電矢量具有不同的吸收本領(lǐng),這種選擇吸收性稱為二向色性.當(dāng)自然光通過二向色性晶體時,其中一成分的振動幾乎被完全吸收,而另一成分的振動幾乎沒有損失.因些,透過光成為平面振動光.偏振片是一種常用的起偏元件,用它可獲得截面積較大的偏振光束.,2.馬呂斯定律,電矢量為E強度為I0的線偏振光垂直入射到一個理想的偏振片(檢偏器)上,若入射光電振動矢量E和偏振片偏振方向之間的夾角為, 則透射光強為,(2)式為馬呂斯定律.當(dāng)以光的傳播方向為軸旋轉(zhuǎn)檢振器時,透射光強I將發(fā)生周期性變化.當(dāng)=0時,透射光強最大（最亮）；當(dāng)=90時,透射光強最小（最暗）；當(dāng)090時,透射光強度介于最亮與最暗之間.,3.波片與圓偏振光和橢圓偏振光,波片由正晶體或負晶體制成,常用來改變光的偏振狀態(tài).當(dāng)一束振幅為A的線偏振光垂直入射到表面平行于光軸的晶片上，且光的振動面與晶片光軸夾角為時，則在晶片表面上，偏振光O光與e光的振幅分別為Asin與Acos.二光傳播的方向相同,但這兩束振動面互相垂直的光由于在晶體中傳播速度不同，因而會產(chǎn)一位相差.設(shè)晶片厚度為l,晶體對O光的折射率為n0,對e光的折射率為ne,于是經(jīng)晶片射出后O光、e光的位相差為,波片與圓偏振光和橢圓偏振光,O光與e光為兩個同頻率、有固定相位差,互相垂直的振動,則兩光的波動方程為,式中Ao=Asin,Ae=Acos .從（4）、（5）二式中消去t,得,一般說,此式為一橢圓方程即合振動的軌跡在垂直于傳播方向的平面內(nèi)且呈一橢圓形.它代表橢圓偏振光.,討論,（1）當(dāng)=2k（k=1,2,3,）由（3）式得,即厚度為l的晶片可使O光與e光的光程差為k,這種晶片稱為全波片或波片. 將=2k代入（6）式,得,可見,=2k時,O光經(jīng)過全波片后,其合振動為平面偏振光,其振動方向與入射偏振光的振動方向平行.,討論,（2）當(dāng)=(2k+1), k=0,1,2,），由（3）式及(no-ne)L=(2k+1)/2 ,此時晶片厚度可使O光與e光的光程差為 (2k+1) /2 ,此波片稱為半波片.,這這樣的合振動仍為平面偏振光,不過振動方向相對原入射光的振動方向轉(zhuǎn)過2角度,討論,（3）當(dāng)=(2k+1)/2,（k=0,1,2,3,），則光程差為(no-ne)L=(2k+1)/4,此晶片厚度可使O光與e光的光程差為/4,此晶片為1/4波片.,若O光與e光的振幅相等,即A0=Ae,則（9）式變?yōu)?此合成光圓偏光.當(dāng)不為以上各值時,各振動為不同長短軸組合的橢圓偏振光.橢圓偏振光的長軸和短軸的取向決定于入射偏振光方向與晶片光軸間的夾角.當(dāng)=0,/2時得線偏振光,=/4時得圓偏振光.,4.偏振光的鑒別,(1)自然光和線偏振光的鑒別,(1)自然光和線偏振光的鑒別 根據(jù)馬呂斯定律I=I0cos2 ，當(dāng)=0時,I=I0光強不發(fā)生變化.當(dāng)=90，I=0.因此把檢偏器對著入射光,旋轉(zhuǎn)檢偏器,若光強不發(fā)生變化,則入射光為自然光或圓偏振光.若檢偏器旋轉(zhuǎn)一周,透射光有兩次最亮(與入射光一樣)和兩次完全黑暗,則入射光應(yīng)為線偏振光. (2)自然光與圓偏振光的鑒別 在檢偏器前加一個1/4波片,此時若無論檢偏器旋轉(zhuǎn)到什么位置,光強I始終不變,則此入射光為自然光.而圓偏振光經(jīng)過四分之一波片后,成為一線偏振光.在旋轉(zhuǎn)檢偏器時,可以觀察到(1)中所述現(xiàn)象.,偏振光的鑒別,(3)橢圓偏振光與部分偏振光的鑒別 在檢偏器的前加一個1/4波片,然