1光的偏振現(xiàn)象的研究134

1、光的偏振現(xiàn)象的研究光的偏振現(xiàn)象是波動光學中的一種重要現(xiàn)象，在諸如光調(diào)制器、光開關(guān)、應力分析等方面有著廣泛的應用。實驗目的1.觀察光的偏振現(xiàn)象，掌握起偏和檢偏的方法，驗證馬呂斯定律。2.了解產(chǎn)生橢圓偏振光和圓偏振光的方法及波片的作用，檢測偏振光干涉的光強。實驗原理及方法1. 自然光和偏振光光波是一種電磁波，其電矢量E和磁矢量H相互垂直，且均與光的傳播方向垂直。由于光對物質(zhì)的作用主要是電矢量的作用，所以電矢量又稱為光矢量。通常以電矢量的方向代表光的振動方向，并將電矢量和光傳播方向所構(gòu)成的平面稱為振動面。普通光源含有大量發(fā)光原子或分子。單個原子和分子發(fā)出的光，其光矢量有一定的方向，但大量的原子和分子

2、發(fā)出的光其光矢量具有一切可能的方向，沒有一個方向的振動比其它方向更占優(yōu)勢。在與光傳播方向垂直的平面內(nèi)，光矢量有均勻?qū)ΨQ分布的特點。這種光稱為自然光（非偏振光）。如果光振動在某一方向占優(yōu)勢，這種光稱為部分偏振光；如果光矢量只沿某一固定方向振動，這種光稱為線偏振光或平面偏振光，見圖1。如果在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)，光矢量以一定頻率繞傳播方向轉(zhuǎn)動，其矢端軌跡為一個圓或橢圓，這種光稱為圓偏振光或橢圓偏振光。圖1能使自然光變?yōu)槠窆獾钠骷Q為起偏器，能夠檢驗偏振態(tài)的器件稱為檢偏器（起偏器和檢偏器一般可以通用）。產(chǎn)生和檢驗偏振光的過程分別稱為起偏和檢偏。下面介紹起偏和檢偏的常用方法。2. 產(chǎn)生平面偏振光

3、的方法2.1 二向色性起偏某些晶體內(nèi)部有一個特殊的方向（稱為透光方向），沿透光方向的光振動幾乎可以全部透過，與透光方向垂直的光振動幾乎全被吸收。這種選擇吸收的特性稱為二向色性。偏振片就是利用二向色性制成的器件，自然光透過偏振片后，只剩下沿透光方向的光振動，透射光成為平面偏振光，如圖2所示。 圖2 二向色性起偏 圖3 晶體雙折射起偏2.2 雙折射現(xiàn)象自然光射到某些各向異性晶體（如方解石、石英等）上時，在晶體內(nèi)分為兩束平面偏振光，如圖3所示。一束稱為尋常光（o光），另一束稱為非常光（e光），兩束光的振動面相互垂直。這種現(xiàn)象稱為雙折射。利用雙折射制成的起偏器有尼科爾棱鏡、格蘭棱鏡等。研究發(fā)現(xiàn)，光沿某

4、特殊方向在晶體傳播時不發(fā)生雙折射，也不能起偏，這個方向稱為雙折射晶體的光軸。如圖4所示，當自然光投射到兩種透明媒質(zhì)的界面上時，反射光和折射光一般成為部分偏振光。如果入射角滿足布儒斯特定律 (n1，n2為二種媒質(zhì)的折射率)則反射光成為平面偏振光，其振動面垂直入射面，而透射光仍為部分偏振光。利用多塊玻璃疊成的玻璃片，可以提高透射光的偏振程度，如圖5所示。 圖4 反射光和折射光的偏振態(tài)的變化 圖5 用玻璃堆產(chǎn)生平面偏振光 31/4波片和圓偏振光、橢圓偏振光的產(chǎn)生如圖6所示，當振幅為A的單色平面偏振光垂直射入雙折射晶片后，產(chǎn)生雙折射，入射光分解為o光和e光。如果入射光的振動方向與晶片光軸的夾角為a，則

5、o光的振幅為Ao=Asina，振動方向垂直主截面；e光的振幅為e=Acosa，振動方向平行主截面。o光e光在晶片內(nèi)沿同一方向傳播，但傳播速度不同，設(shè)晶片厚度為d，在晶片內(nèi)o的光程為nod，e光的光程為ned。通過晶片后兩束光的光程差和位相差分別為 （1） （2）式中為入射單色光的波長，no、ne分別為晶片對o光和e光的折射率圖6 橢圓偏振光的產(chǎn)生若選擇適當?shù)木穸?，使（k=0，2，3） （3）則產(chǎn)生的光程差和位相差應為 （4） （5）這種能使o光和e光產(chǎn)生的光程差等于/4奇數(shù)倍的晶片，稱為1/4波片（注意：波片都是對特定波長而言的，對其它波長不適用）。通過1/4波片后的o光和e光，它們的振動

6、頻率相同，振動方向互相垂直，位相差為/2的奇數(shù)倍。這樣兩束光相互疊加（兩個同頻率的垂直振動的合成）后，在與傳播方向垂直的平面內(nèi)，合振動光失量的矢端軌跡為橢圓。因此，平面偏振光通過1/4波片后，一般成為橢圓偏振光。當a=0（或/2）時，即Ao=0或Ae=0時，橢圓偏振光蛻化為平面偏振光；當a=/4時（即Ao=Ae），蛻化為圓偏振光。1/4波片可將平面偏振光變成橢圓偏振光或圓偏振光，也可將橢圓偏振光或圓偏振光變成平面偏振光；而自然光和部分偏振光通過1/4波片后仍為自然光和部分偏振光。讓光通過1/4波片是區(qū)分圓偏振光（橢圓偏振光）和自然光（部分偏振光）的唯一手段。4. 馬呂斯定律根據(jù)馬呂斯定律，光強

7、為I0的平面偏振光通過檢偏器后，其透射光強為I = I0cos2 （6）式中為平面偏振光的振動方向與檢偏器透光方向的夾角。當=0°或者180°時I=I0，光強最大；當=90°或270°時I=0，出現(xiàn)消光現(xiàn)象；當為其它值時，透射光強介于0和I0這間。實驗中使用的偏振片，由于質(zhì)量并不十分理想，對于透光方向垂直的光振動不能全部吸收，對于透光方向平行的光振動不能完全透過。當=0°或者180°時，透射光強不是I0，而是最大值Imax；當=90°或者270°時，透射光強不為0，而是最小值Imin，這種情況下，馬呂斯定律修正為

8、（7）5. 偏振態(tài)的檢驗鑒別入射光的偏振態(tài)須借助于檢偏器和1/4波片。先用一片偏振片作為檢偏器，將入射光直接射到檢偏器上，并以光傳播方向為軸轉(zhuǎn)動檢偏器。若出現(xiàn)消光現(xiàn)象（透過光強為0），入射光必為平面偏振光。若透射光強度沒有變化，入射光可能是自然光或圓偏振光。若透射強度雖有變化，但沒有消光現(xiàn)象，入射光可能是部分偏振光或橢圓偏振光。只用一片偏振片檢偏，無法鑒別入射光是自然光還是圓偏振光，也無法將部分偏振光和橢圓偏振光區(qū)分開。要進一步鑒別，還須在入射光與檢偏器這間插入一塊1/4波片。由于圓偏振光和橢圓偏振光通過1/4波片后，轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫嫫窆猓藭r轉(zhuǎn)動檢偏器就會看到消光現(xiàn)象；而自然光和部分偏振光通過1

9、/4波片后，仍是自然光和部分偏振光，轉(zhuǎn)動檢偏器時不會出現(xiàn)消光現(xiàn)象，從而可以作出判斷。6. 偏振光的干涉如圖7所示，在起偏器M和檢偏器N之間平行放置晶片C，并設(shè)M的偏振光化方向與晶片光軸間的夾角為a，N偏振化方向與晶片光軸間的夾角為，則從C出射的振幅分別為Ao、Ae的o光和e光，在經(jīng)過N時又被分解為振動方向平行于N的偏振化方向的分量 （8） （9） 圖7 o光和e光的分解顯然，透過N的兩支偏振光非但頻率相同，位相差恒定，而且振動方向相同，因此會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。其位相差為 （10）式中附加位相差是由于振幅失量與方向相反而引的。按照雙光束干涉的光強計算法，可求出干涉光強 （11）式中I = A2表示入

10、射于晶片C的線偏振光的相對光強。特別地，若晶片為1/4波片，則有 （12）可見當a一定時，I'與有關(guān)。因此當固定起偏器M和晶片C的位置時，轉(zhuǎn)動檢偏器N，便可觀察到透射光的強度隨不斷發(fā)生變化現(xiàn)象。若使用復色光源，由于通過晶片后的位相左對不同的波長是不同的。所以當晶片C的厚度d一定時，視場中將出現(xiàn)一定的色彩，改變晶片的厚度，色彩分布的情況也隨之改變。同樣，如果轉(zhuǎn)動檢偏器N，亦將顯示出各種色彩的變化，這稱之為色偏振現(xiàn)象。儀器構(gòu)造及使用PZG1型偏振光實驗儀：如圖8所示，自光源S發(fā)出的自然光（鈉光或白光）通過毛玻璃P進入起偏器M產(chǎn)生線偏振光，再經(jīng)1/4波片C被分解成相互垂直的兩支偏振光進入檢偏

11、器N，出射光強被硅光電池E接收，轉(zhuǎn)換成電信號用光電檢流計G測出。取下硅光電池，沿著軸方向可觀察各種光的偏振現(xiàn)象；放上硅光電池，通過光點檢流計可作定量測量，調(diào)節(jié)光源選擇旋鈕（在儀器面板下部），可根據(jù)實驗要求選定光源。轉(zhuǎn)動儀器右側(cè)面的蝸桿旋鈕，可使蝸輪底座轉(zhuǎn)動，從而改變波片的光軸方位，光軸轉(zhuǎn)過的角度可以由面板上部觀察孔內(nèi)讀出，底座度盤每分格為2°。轉(zhuǎn)動儀器頂部的檢偏器度盤（10分度游標），可改變儀器檢偏器N的偏振化方向，并可讀出轉(zhuǎn)過的角度。當需要改變實驗的內(nèi)容時，可打開后門，把遮光套筒上提再轉(zhuǎn)動一下，即可取下套筒，在蝸輪底坐上取下或調(diào)換器件。圖8 偏振儀光學結(jié)構(gòu)圖 實驗內(nèi)容1. 觀察光的

12、偏振現(xiàn)象，驗證馬呂斯定律1.1 打開儀器后門，提起套筒，取下波片；選擇鈉光源，開啟電源，待鈉光燈發(fā)光正常后，旋轉(zhuǎn)檢偏器N，觀察場明暗變化情況。1.2 將微電流測量儀與硅光電池連接，轉(zhuǎn)動檢偏器N使輸出電流最小，此時N與M的偏振化方向垂直，即。1.3 轉(zhuǎn)動檢偏器度盤，角每改變10°時，記下對應的出射光強I（即微電流測量儀上的讀數(shù)），將實驗數(shù)據(jù)填入自擬表格中。1.4 在直角坐標紙上作Icos2圖線，分析是否符合馬呂斯定律。2. 測量偏振光干涉的光強2.1 旋轉(zhuǎn)檢偏器N，使之與M的偏振化方向垂直，方法同上。2.2 打開儀器后門，在蝸輪座上放上1/4波片，轉(zhuǎn)動蝸桿旋鈕使檢流計光標重新指零，此時

13、，波片C的光軸與M的偏振化方向平行，即a=0°，=90°，記下波片的方位。2.3 轉(zhuǎn)動蝸桿旋鈕，使波片由原來方位轉(zhuǎn)過30°，亦即a=30°、=60°，記下檢流計讀數(shù)，此后保持波片C的位置不變，轉(zhuǎn)動檢偏器度盤改變N的方位，即改變角，每改變10°記錄一次相應的微電流測量儀讀數(shù)I'，直至N回到初始位置。將數(shù)據(jù)填入表格，在極座標紙上作出I'曲線，并與式（12）作比較。2.4 使a=45°，重復以上步驟，作出I'曲線。2.5 比較2.3和2.4觀察到的光強變化情況，由式（12）作出解釋。3. 觀察色偏振現(xiàn)象3.

14、1 調(diào)節(jié)光源選擇旋鈕換上白光源，并使偏振片N與M的偏振化方向垂直。3.2 把剪碎的玻璃紙夾在兩塊玻璃板之間，置于蝸輪底坐上，由于各處厚度不同，視場中將出現(xiàn)彩色干涉圖樣。轉(zhuǎn)動N，會看到各處的顏色隨之變化。當N轉(zhuǎn)過90°，即N與M的偏振化方向平行時，各處的顏色恰為原來的互補色，試解釋這一現(xiàn)象。注意事項1.鈉光燈通電后應預熱1020min，方可進行實驗。2.更換光學元件時，應輕拿輕放，防止損壞。3.測量時應關(guān)閉儀器后門，裝好套筒，防止雜散光的影響。設(shè)計性實驗現(xiàn)有自然光、線偏振光、部分偏振光、橢圓偏振光和圓偏振光等五種光，試設(shè)計一個能夠鑒別它們的實驗方案。預習思考題1. 強度為I0的自然光入射于偏振片