實驗5光的偏振實驗實驗

1、光 的 偏 振 實 驗實驗說明書北 京 方式 科 技 有 限責 任 公 司光的干涉和衍射現象表明光是一種波動,光的偏振現象清楚的顯示了光的橫波性。歷史上，早在光的電磁理論建立以前，在楊氏雙縫 實驗成功以后不多年，馬呂斯（E.L.Malus）1809 年就在實驗上發(fā)現了光的偏振現象。實驗目的驗證馬呂斯定律；產生和觀察光的偏振狀態(tài)；了解產生與檢驗偏振光的元件和儀器；掌握產生與檢驗偏振光的條件和方法。實驗原理光波是一種電磁波，電磁波是橫波，光波中的電矢量與波的傳播方向垂直。光的偏振現E H 向（圖。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c 平面稱為光振動面。（圖 2。光源發(fā)射

2、的光是由大量分子或原子輻射構成的。單個原子或分子輻射的光是偏振EHcaEHcyAyEEyExAx圖1 cyAyEEyExAx們所發(fā)射的光的振動面出現在各個方向的幾率是相同x的。一般說，在 相等，故這種光源發(fā)射的光對外不顯現偏振的性質，稱為自然光（圖 2b。在發(fā)光過程中，有些光的振動面在某個特定方向上出現的幾率大于其他方向，即在較長時間內電矢量在某一方向上較強，這樣的光稱為部分偏振光（圖 2。還有一些光，其振動面的取向和電矢量的大小隨時間作有規(guī)律的變化，電矢量末端在垂直于傳播x圖 3a 橢圓偏振光的合成方向的平面上的軌跡是橢圓或圓，這種光稱為橢圓偏振光或圓偏振光（圖 3a光和圓偏振光又可看作橢圓

3、偏振光的特例。橢圓偏振光可看作是兩個沿同一方向 z 傳播的振動方向相互垂直的線偏振光的合成：如圖 1 所示：E AxE Ayycos( t kz)（1）cos( t kz )（2）A 為兩光波的圓頻率為兩波的相對位相差。E A Axy和A Axy及A （x0）及0 或y- - /2- /2 00 /2 /2 = =-= =- /2 =0 = /2左旋右旋. . . . . .b空氣. . . . . .b空氣玻璃本實驗中主要考察的是光的各種偏振態(tài)的改變。一 自然光變?yōu)榫€偏振光一束自然光入射到介質的表面，其反射光和折射光一般是部分偏振光。在特定入射角即布儒斯特角b下，反射光成為線偏振光，其電矢量

4、垂直于入射面。若光是由空氣入射到折射率為玻璃平面上（圖4，則tg bn n 57圖4a用玻璃片產生反射全偏振光1若入射光以布儒斯特角b射到多層平行玻璃片上，經多次反射最后透射出來的光也就接近于線偏振光，其振動面平行于入射面。由多層玻璃片組成的這種透射起偏器又稱為玻璃片堆。（圖 4b）.自然光經過偏振片，其透射光基本上變?yōu)榫€偏振光，這是由于偏振片具有選擇吸收性的緣故，入射光波中，電矢量 E 垂直于偏振片透光方向的成分被強烈吸收，而 E 平行于透光方1.01.0 1.5 b1.01.51.01.51.0圖4b用玻璃片堆產生線偏振光向的分量則吸收較少。二 波晶片利用單軸晶體的雙折射，所產生的尋常光光

5、）和非常光 光）都是線偏振光。前者E o （晶體內部某條光線與光軸構成的平面E e 平面。波晶片是從單軸晶體中切割下來的平面平行板，其表面平行于光軸。o e o o 光在晶體內的波速為 voe n neo不同。設晶片的厚度為L,則兩束光通過晶片后就有位相差： 2(n no)L（4）其中為光波在真空中的波長。2k的晶片，稱為全波片； 2k 時，為半波片；2k/2 為四分之一波片；三 偏振光的檢測鑒別光的偏振態(tài)的過程稱為檢偏，它所用的裝置稱為檢偏器。實際上，起偏器和檢偏器是通用的。用于起偏的偏振片稱為起偏器，用于檢偏的稱為檢偏器。按照馬呂斯定律，強度為 I0 的線偏振光通過檢偏器后，透射光的強度為

6、：I I0cos 2 （5）式中為入射光偏振方向與檢偏器的偏振軸之間的夾角。顯然，當以光線傳播方向為軸轉動檢偏器時，透射光強度 I 將發(fā)生周期性變化。當0 時，透射光強度為極大值；當90 時，透射光強度為極小值，我們稱之為消光狀態(tài)，接近于全暗；當 090時，透射光強度 I 介于最大值和最小值之間。因此，根據透射光強度變化的情況，可以區(qū)別線偏振光、自然光和部分偏振光。圖 5 表示自然光通過起偏器和檢偏器的變化情況。自然光自然光.線偏振光I1I2起偏器檢偏器圖5自然光通過起偏器和檢偏器的變化（表）第一步第一步令入射光通過偏振片，改變偏振片的透振方向 P1，觀察透射光強的變化觀察到的現象有消結論線偏

7、振第二步強度無變化強度有變化但無消光自然光或圓偏振光部分偏振光或橢圓偏振光 a.令入射光依次通過四分之一b.同a，只是四分之一波片的波片和偏振片改變偏振片光軸方向須與第一步中偏振的透振方向觀察透射光的強度片產生強度極大或極小的變化透振方向重合觀察到的現象結論有消光圓偏振無消光自然光有消光無消光四 通過波晶片后光的偏振態(tài)的變化o 分量和 e 加位相差 。離開波晶片時合成光波的偏振性質。決定于 及入射光的性質。通過波晶片，引入一恒定的位相差 ，其結果還是無規(guī)則的。Ee（o軸除上述兩種情況外，偏振光通過波晶片，一般其偏振態(tài)都要變化。我們可以通過其振動的合成來看其偏振態(tài)的變化情況：我們知道，兩個相互垂

8、直、同頻率且有固定位相差的簡諧振動（例如通過波晶片后的 eo光的振動）可用下列方程表示：x Axcos t（6）y Acos( t )y從以上兩式中消去時間 t，經三角運算后得到合振動的方程為：（7）x2y22 xy cos sin 2 （8）A 2A 2A Aeooe（）橢圓形。它代表橢圓偏振光。當K (K=0,1,2,3,，)時，(8)式變?yōu)橹本€方程，表示合振動是線偏振光；當(K1/2) (K=0,1,2,3, ，)時，(8)式變?yōu)檎龣E圓方程，表示合振動是正橢圓偏振光；當(K1/2) (K=0,1,2,3, A Aoe時，(8)式變?yōu)閳A方程，表示合振動是圓偏振光；當不等于以上各值時，合振動

9、為不同長短軸組合成的橢圓偏振光。如圖 6 所示，當振幅為 A 的線偏振光垂直射到/2 波片，在其表面上分解為：E Aeecos t（9）出射光表示為：E Aocos( t ) 0或（10）oAooAoAAeeoAoA-Aee圖 6 偏振光經/2 波片后的情況E Aeecos( t 2n L )e（11）上式可以寫為：E Aocos( t 2n L)o（12）E Aeecos t（13）22E Aocos( t n L o n L ) Aecos( t ) （14）出射光的兩正交分量的相對應的位相差有 決定，現有： 0 （15） 0這說明出射光也是線偏振光，但振動方向與入射光的不同。若入射光與波

10、晶片光軸成 角，則出射光與光軸成角。即線偏振光經過/2 波片電矢量振動方向轉過了 2角。若入射光為橢圓偏振光，類似的分析可知，半波片也改變橢圓偏振光長短軸的取向。此外，半波片還改變橢圓偏振光或圓偏振光的旋轉方向。當偏振光正入射于/4 波片，仿照上述分析可得出射光為：E Acos tee（16）E Aoocos( t ) 2（17）A 的線偏振光垂直射到/4 e光和的函數，所以通過/4 波片后合成的光的偏振態(tài)也將隨角度的變化而不同。當 時，獲得振動方向平行于光軸的線偏振光；當 時，獲得振動方向垂直于光軸的線偏振光；oe3）當 且AAoe時，獲得圓偏振光；4）當為其他值時，0，獲得光為正橢圓偏振光

11、；/2，對應右旋。 /2，對應左旋。oe入射光為圓偏振光此時AA ，上式代表線偏振光。出射光電矢量oe沿一、三象限；，出射光電矢量沿二、四象限。間任意取值，出射光一般為橢圓偏振光。特殊情況下，（相對于波晶片的快慢軸而言或實驗內容 起偏和檢偏、鑒別自然光和偏振光、驗證馬呂斯定律1P P 作為起偏器，旋轉P，觀察并描述光屏E 上光斑強度的變化情況。2、在P 后加入作為檢偏器的偏振片 A，固定 P 的方位，轉動A，觀察、描述光屏E 上光斑強度的變化情況，與步驟 1 所得的結果比較，并作出解釋。3A 1調整激光器和光探頭的高度使激光射入光探頭P （大的位置（3）放上檢偏器 A 同樣找到它的實際零點（方

12、法通上4）記錄一次相應的光電流值，完成圖表experiment caculation2.5experiment caculation2.0 1.5m (P1.00.50.0-50050100150200250300350400angle (degree) P(mw) cos 2 P(mw)cos 2 P(mw)cos 2P(mw) cos 200100200300400500600700800900100011001200130014001500160017001800190020002100220023002400250026002700280029003000310032003300340

13、035003600在極坐標紙上作出轉動角I 的曲線（I cos 線，來驗證馬呂斯定律。根據以上的觀測結果，總結應當如何鑒別自然光和偏振光。二 觀察圓偏振光和橢圓偏振光1、 以可見激光器為光源垂直照射于一組相互正交的偏振片（P、A）上(即轉動檢偏器 A 直到功率指示器讀數為零或者說使其處于消光狀態(tài))，在 P、A 間插入一/4 波片C，觀察并對/4 波片插入前后，透過 A 的光強變化。2P A /4 波片C 0 A 的光強度的變化情況，并作出解釋。32 中，再以使正交偏振片處于消光狀態(tài)時/4 線，轉動/430、60、75、等值，在取上述每一個角度時都將檢偏器A （從0 轉到2A 然后作出解釋。光的偏振性質將以上觀測的結果記錄在表格中。并解釋上述實驗結果片轉動的角度觀察到的現象（功率指示器示數變化范圍）結論（什么偏振光）00150300450600750900三 圓偏振光和橢圓偏振光的檢驗雖然上面實驗中我們用偏振片可以一般地區(qū)別線偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光，但嚴格來說要鑒別圓偏振光和橢圓偏振光單用偏振片是不夠的。因為單用偏振片無法區(qū)別圓偏振光和自然光，也無法區(qū)別橢圓偏振光和部分偏振光。為此必須再加一個/4 波片。1、按圖 7，先使 A