反射光的偏極

1、實(shí)驗(yàn)十 反射光的偏極一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模翰t解光與物質(zhì)的一些基本作用。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（一） 觀察反射光與透射光的偏極現(xiàn)象。（二） 觀察多層玻璃反射光與透射光的偏極現(xiàn)象。（三） 利用偏極角測(cè)量反光物質(zhì)的折射率。三、 實(shí)驗(yàn)器材：（一） 分光計(jì) （五）待測(cè)玻璃板（二） 壓克力板 （六）鈉光燈（三） 檢偏鏡 （七）前方鍍鋁平面鏡（四） 多層平行玻璃板（五） 圖10. 反射光的偏極實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖四、 實(shí)驗(yàn)步驟：（一） 觀察玻璃反射光的偏極現(xiàn)象並測(cè)其折射率。1. 利用實(shí)驗(yàn)裝置圖，將分光計(jì)調(diào)整妥當(dāng)後固定大盤（參考實(shí)驗(yàn)五）。2. 平行光管狹縫打開大約0.5mm，將望遠(yuǎn)鏡聚焦於狹縫上，待測(cè)玻璃板放到稜鏡臺(tái)上，反射面

2、與稜鏡臺(tái)直徑重合。3. 利用高斯目鏡之功能，調(diào)整待測(cè)玻璃板反射面與望遠(yuǎn)鏡垂直。4. 在望遠(yuǎn)鏡前裝上檢偏鏡，偏振面為水平方向，緩面的轉(zhuǎn)動(dòng)大盤同時(shí)移動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，保持狹縫的像在視野中，精確的交錯(cuò)調(diào)整大盤位置與檢偏鏡角度，以尋找狹縫像最暗的位置（幾乎看不見），固定大盤後將叉絲對(duì)準(zhǔn)狹縫，記錄望遠(yuǎn)鏡的位置（填入表10-1中）。5. 移走待測(cè)玻璃板，將望遠(yuǎn)鏡的叉絲對(duì)準(zhǔn)狹縫，記錄望遠(yuǎn)鏡的位置（填入表10-1中）。6. 偏極角，902（填入表10-1中）。折射率，sinsin(90) （填入表10-1中）（二） 測(cè)量壓克力板的折射率：1. 依照前述方法觀測(cè)，並將各測(cè)量值填入表10-1中。（三） 測(cè)量多層平行玻璃板

3、的折射率：1. 依照前述方法觀測(cè)，並將各測(cè)量值填入表10-1中。（四）觀察並說明，金屬表面反射光偏極情形：項(xiàng) 目 n 玻璃板 壓克力 多層玻璃 （表10-1） 五、 問題：（一） 如果實(shí)驗(yàn)時(shí)把待測(cè)物移動(dòng)一個(gè)角度，對(duì)實(shí)驗(yàn)會(huì)有甚麼影響？（二） 如果改用汞燈做光源實(shí)驗(yàn)會(huì)有何影響？改成He-Ne 雷射又會(huì)如何？如果用發(fā)光二極體或太陽光又如何？（三） 實(shí)驗(yàn)中有那些因子會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果？請(qǐng)一一列出， 並估計(jì)其影響。（四） 分析本實(shí)驗(yàn)的誤差？(請(qǐng)參閱參考報(bào)告對(duì)本實(shí)驗(yàn)相關(guān)問題作思考，以增加對(duì)實(shí)驗(yàn)的了解及深度探索。)六、 參考文獻(xiàn)：（一） E. Hecht, Optics, 2nd.ed. (Addison-We

4、sley, 1987), chapter 8（二） M. V. Klen and T. E. Furtak, Optics, 2nd.ed.(Wiley, 1986) chapter 9（三） F. L. Pedrotti, S. T. and L. S. Pedrotti, Introduction to Optics, (Prentice, 1993), chapter 14 and 15七、 參考報(bào)告 (一)：本份報(bào)告僅供參考（取自於物理90級(jí)吳柏蒼，高瑞宗，李英豪，黃昭準(zhǔn)，張瓊文）（一） 實(shí)驗(yàn)裝置：1. 分光計(jì)（含平行光管、望遠(yuǎn)鏡）2. 檢偏鏡3. 鈉光燈4. 待測(cè)玻璃板（也當(dāng)平面鏡使

5、用）5. 壓克力板6. 多層平行玻璃板7. 凸透鏡8. 高斯目鏡（二） 原理： 一個(gè)介質(zhì)之所以會(huì)反射光、折射光，是由於它內(nèi)部的帶電粒子振盪所引起的。一個(gè)入射光可分成兩個(gè)偏極化狀態(tài)，一個(gè)是電場(chǎng)沿著I（平行入射平面，也就是說平行入射線與折射線所組成的平面），一個(gè)是電場(chǎng)沿著I（垂直入射平面）；沿著I的偏極化光會(huì)使得介質(zhì)內(nèi)的帶電粒子沿入射平面振盪。由於在介質(zhì)中，光會(huì)以?shī)A法線t前進(jìn)，當(dāng)與r（反射角）成/2時(shí)（也就是Brewsters angle），折射光電場(chǎng)平行入射平面的方向，也會(huì)平行於反射光行進(jìn)方向，也就是說，介質(zhì)內(nèi)帶電粒子的振盪方向平行於反射光行進(jìn)方向，所以在這個(gè)方向就不會(huì)有輻射產(chǎn)生。這也是為什麼反

6、射光沒有電場(chǎng)平行於入射平面的偏極化方向。另一方面，沿著I的電場(chǎng)會(huì)使得介質(zhì)內(nèi)的帶電粒子產(chǎn)生垂直於入射平面的振盪，因此可以在反射方向產(chǎn)生輻射。所以我們?cè)赿etector前面加個(gè)偏檢鏡，就可以濾掉垂直方向的輻射，進(jìn)而觀察反射光的偏極化現(xiàn)象。 若我們以數(shù)學(xué)式來表示整個(gè)過程，根據(jù)Hecet, optics 3ed., p.111，也就是the Fresnel Equations，我們忽略了電場(chǎng)垂直入射平面的情形，直接看電場(chǎng)平行入射平面的情形：the based rule, with boundary condition, E0icosI -Eorcosr = E0tcost當(dāng)然我們也可以很容易地從測(cè)量得

7、的角去求介質(zhì)的折射率，根據(jù)Snells law,n1sini = n2sintand i+t = /2get 所以我們可以很方便地利用偏極角測(cè)量反光物質(zhì)的折射率?。ㄈ?步驟：根據(jù)實(shí)驗(yàn)五、分光計(jì)的使用，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行之前，先調(diào)好分光計(jì)（利用高斯目鏡調(diào)整，注意不要有鈉光燈源，不然會(huì)影響到叉絲的校準(zhǔn)）。（1） 察玻璃反射光的偏極現(xiàn)象並測(cè)其折射率1. 打開鈉光源，調(diào)整狹縫約0.5mm，望遠(yuǎn)鏡聚焦於狹縫上。完畢後在望遠(yuǎn)鏡前裝置檢偏鏡，調(diào)檢偏鏡為水平方向。2. 將待測(cè)玻璃片放置稜鏡檯上，使能在視野清楚看見狹縫像。3. 轉(zhuǎn)動(dòng)大盤並望遠(yuǎn)鏡，使得狹縫的像保持在視野的叉絲上。4. 尋找狹縫最暗的位置（幾乎是看不見）

8、，固定大盤後記下所在角刻度。5. 移走待測(cè)玻璃板，將望遠(yuǎn)鏡調(diào)回原點(diǎn)，使叉絲對(duì)準(zhǔn)狹縫，記下所在角刻 度（2） 察壓克力板反射光的偏極現(xiàn)象並測(cè)其折射率（方法和上面步驟相同）（3） 察多層平行玻璃板反射光的偏極現(xiàn)象並測(cè)其折射率（方法和上面步驟相同）（四） 數(shù)據(jù)：項(xiàng)目n玻璃板155° 0588° 5056° 321.51壓克力297° 15235° 2069° 021.81多層玻璃289° 04230° 3660° 281.77其中，極偏角 折射率 n = tan （五） 分析討論：1.理論上，當(dāng)折射光與反射光呈

9、Brewsters angle時(shí)，加上檢偏鏡應(yīng)該是看不到狹縫像！但可能在分光鏡的校準(zhǔn)時(shí)沒有完全調(diào)好，使得得到的暗紋並非完美，變成有數(shù)條暗紋（亮度接近），可能在選擇偏振角時(shí)產(chǎn)生誤差。2.克力板之所以得到誤差那麼大的數(shù)據(jù)，可能在判讀暗紋上發(fā)生錯(cuò)誤?。ㄒ?yàn)槲覀兊玫揭淮髤^(qū)域的暗紋，且亮度相當(dāng)）3.狹縫像實(shí)際在視野裡有兩條，是因?yàn)榇郎y(cè)物的厚度，使折射光在介質(zhì)內(nèi)又反射回來，變成了另一個(gè)光源，故望遠(yuǎn)鏡得到兩條狹縫。4.反射光的偏極化現(xiàn)象，是由於介質(zhì)帶電電子振盪所造成，但是對(duì)於金屬幾乎無折射現(xiàn)象的物質(zhì)還會(huì)有偏極化現(xiàn)象嗎？因?yàn)閷?duì)所有入射光的偏極化狀態(tài)都幾乎完全加以反射，很少加以吸收，所以金屬的反射光偏極化現(xiàn)象小

10、到可以說是沒有！也就是說在找不到任何的暗紋。八、參考報(bào)告 (二) 本份報(bào)告僅供參考(源自於物理91級(jí)蔡宜絹 梁凱翔 張中懷 一組) 一、實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)光經(jīng)過介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生反射及折射兩種現(xiàn)象，在古典的電磁學(xué)理論中我們想成介質(zhì)內(nèi)的帶電粒子受電場(chǎng)影響產(chǎn)生振盪所引起的?？紤]光線的偏極化可以分為與入射平面平行的偏極，和與入射平面垂直的偏極，而因?yàn)榕c入射平面垂直（如圖一的Plane of Vibration）的偏極所攜帶的電場(chǎng)Ei會(huì)影響介質(zhì)表面的電子，使那些電子也以與入射平面垂直方向振動(dòng)，如此則會(huì)另外產(chǎn)生因電子振盪而幅射出來的光，其電場(chǎng)的振盪方向也垂直於入射平面。圖一與入射平面平行的電場(chǎng)Ei|（如圖二）也會(huì)使電子

11、產(chǎn)生振盪，其反射光與折射光會(huì)有平行於入射平面的電場(chǎng)（Er|，Et|）振盪，但當(dāng)=0時(shí)，即r+t=90度（此時(shí)入射角稱為Brewsters angle）時(shí)，反射光行進(jìn)方向與電子振盪的方向平行，所以不會(huì)有幅射產(chǎn)生，此偏振方向所產(chǎn)生的反射光，就不會(huì)有平行入射平面方向的電場(chǎng)產(chǎn)生。圖二於是我們做實(shí)驗(yàn)時(shí)在觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡上放一狹縫平行於入射平面的檢偏鏡，以濾去垂直方向偏振的反射光，當(dāng)觀測(cè)時(shí)看不到光時(shí)，此時(shí)代表反射光沒有平行於入射平面的偏極，即此時(shí)入射角與折射角之和為90度。（如圖三）圖三我們以鈉燈為單色光源，經(jīng)凸透鏡及平行光管使光線變成平行光，再經(jīng)狹縫之後變成柱狀光源，以利於觀測(cè)?？紤]一入射角為布魯斯特角的單色

12、光，入射角i，反射角r，折射角t，入射介質(zhì)折射率ni，折射介質(zhì)折射率nt：i = r又由折射定律ni sini = nt sint = ni sin r且r + t = 90ni sini = nt sin(90-t ) = nt cositani = nt/ni i r t二、實(shí)驗(yàn)步驟1. 利用反射光的偏極現(xiàn)象並測(cè)其折射率。2. 利用實(shí)驗(yàn)裝置圖，將分光計(jì)調(diào)整妥當(dāng)後固定大盤。3. 平行光管狹縫打開大約0.5mm，將望遠(yuǎn)鏡聚焦於狹縫上，將待測(cè)玻璃板放到稜鏡臺(tái)上，反射面與稑鏡臺(tái)直徑重合。4. 利用詗斯目鏡之功能，調(diào)整待測(cè)玻璃板反射面與望遠(yuǎn)鏡垂直。5. 在望遠(yuǎn)鏡前裝上檢偏鏡，偏振面為水平方向，緩慢地

13、轉(zhuǎn)動(dòng)大盤同時(shí)移動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，保持狹縫的像在視野中，精確的交錯(cuò)調(diào)整大盤位置與檢偏鏡角度，以尋找狹縫像最暗的位置（幾乎看不見），固定大盤後將叉絲對(duì)準(zhǔn)狹縫，記錄望遠(yuǎn)鏡的位置“”。6. 移走待測(cè)玻璃板，將望遠(yuǎn)鏡的叉絲對(duì)準(zhǔn)狹縫，記錄望遠(yuǎn)鏡的位置“”。7. 偏極角=90-(|-|/2)（見圖），折射率n=sin/sin(90-)=tan。8. 將待測(cè)玻璃換成壓克力板，並重復(fù)步驟26。9. 再將壓克力板換成平行玻璃板，並重復(fù)步驟26。三、實(shí)驗(yàn)裝置1.鈉燈2.凸透鏡3.平行光管4.檢偏鏡組5.高斯目鏡6.分光計(jì)四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果項(xiàng)目 n玻璃板第一組數(shù)據(jù)165342342455.58331.4596第二組數(shù)據(jù)170542

14、341658.31671.6210壓克力第一組數(shù)據(jù)178452491154.78331.4167第二組數(shù)據(jù)152242341649.06671.1531多層玻璃第一組數(shù)據(jù)187132641951.45001.2549第二組數(shù)據(jù)166412341656.20831.4943五、討論：由實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以看出，黃光對(duì)玻璃的折射率約在1.41.6之間。距我們之前實(shí)驗(yàn)二的參考資料，綠光對(duì)玻璃的折射率是1.54，我們實(shí)驗(yàn)的結(jié)果在合理的範(fàn)圍內(nèi)。由實(shí)驗(yàn)可知，壓克力的折射率較玻璃小，又玻璃的密度較壓克力大，故我們大膽假設(shè)，密度和折射率有正相關(guān)。因?yàn)楣庠谕ㄟ^介質(zhì)在內(nèi)部產(chǎn)生了反射，出來的第二次折射的光，同樣打入偏振

15、片，所以在觀測(cè)時(shí)我們必須取亮度較大、角度較小的光為量測(cè)的光源，並非之前我們所猜測(cè)量取兩者的中間。六、問題：1. 查閱文獻(xiàn)，說明反射光何時(shí)出現(xiàn)不同偏極的現(xiàn)象？Ans：當(dāng)反射光與折射光成度角時(shí)，反射光會(huì)與入射光的偏極現(xiàn)象不同。請(qǐng)參照實(shí)驗(yàn)原理。2. 說明實(shí)步驟的目的。Ans：標(biāo)定當(dāng)反射光平行入射面偏極為零時(shí)的位置，等移走待測(cè)介質(zhì)後再標(biāo)定出光直進(jìn)的位置，可得=90-(|-|/2)。3. 說明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，平行光器、望遠(yuǎn)鏡極高斯目鏡的用處。Ans：平行光器：使射到待測(cè)介質(zhì)的光線為平行光線望遠(yuǎn)鏡：為了看清楚光源微弱的光線。高斯目鏡：為了調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的光軸使之與置物臺(tái)平行。 4. 說明實(shí)驗(yàn)中光軸位置。Ans：光軸是所有通過光學(xué)元件中心的連線