偏振光試驗教學(xué)指導(dǎo)書

偏振光實驗教學(xué)指導(dǎo)書光的偏振是指光的振動方向不變，或電矢量末端在垂直于傳播方向的平面上的軌跡呈橢圓或圓的現(xiàn)象。光的振動方向和光的傳播方向垂直.自然光是各方向的振幅相同的光，對自然光而言，它的振動方向在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)可取所有可能的方向，沒有一個方向占有優(yōu)勢.若把所有方向的光振動都分解到相互垂直的兩個方向上，則在這兩個方向上的振動能量和振幅都相等.線偏振光是在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，光矢量只沿一個固定方向振動.起偏器是將非偏振光變成線偏振光的器件；檢偏器是用于鑒別光的偏振光狀態(tài)的器件。一、教學(xué)目的1、觀察光的偏振現(xiàn)象，鞏固理論知識。2、掌握產(chǎn)生與檢驗偏振光的條件和方法，測量透過1/2波片和1/4波片后偏振光的變化。二、教學(xué)要求1、實驗三小時完成。2、用兩偏振片驗證馬呂斯定律。3、測量兩種波片轉(zhuǎn)動90°之間偏振光光強(qiáng)變化。5、根據(jù)波片改變偏振光原理分析實驗數(shù)據(jù)。三、教學(xué)重點和難點1、重點：1/2波片和1/4波片對偏振光偏振態(tài)的影響。2、難點：1/4波片形成的橢圓偏振光極小值對應(yīng)角度測量。四、講授內(nèi)容（約20分鐘）光大體上有五種偏振態(tài)，即線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光、自然光和部分偏振光。而線偏振光和圓偏振光又可看作橢圓偏振光的特例。橢圓偏振光可視為兩個沿同一方向z傳播的振動方向相互垂直的線偏振光（例如一個電矢量為Ex,一個為Ey）的合成：Ex=Axcosg-kz）（1）Ey=Aycos@—kz十中）（2）式中A為振幅，切為二光波的圓頻率，t表時間，k為波矢的數(shù)值數(shù)值，中是兩波的相對位相差。合成矢量E的端點在波面內(nèi)描繪的軌跡為一橢圓，橢圓的形狀、9=土上取向和旋轉(zhuǎn)方向，由4、Ay和平?jīng)Q定。當(dāng)Ax=Ay及一2時，橢圓偏振光退化為圓偏振光；當(dāng)*=0，±兀或Ax（或Ay）=0時，橢圓偏振光退化為線偏振光（如下圖）。本實驗中，著重考察的是光的各種偏振態(tài)的改變。一、變自然光為線偏振光一束自然光入射到介質(zhì)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,下，反射光成為線偏振光，其電矢量垂直于入射面。1若光線是由空氣射到折射率為殘球1.5）的玻璃平面上，則久=9n；t57。如果自然光是以引入射到玻璃片堆上，則經(jīng)多次反射，最后從玻片堆透射出來的光也近于線偏振光。所有這些結(jié)論都可從菲涅耳公式出發(fā)得到論證。自然光經(jīng)過偏振片，具透過光基本上成為線偏振光。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(qiáng)烈吸收，而E平行于這光方向的分量則吸收較少。馬呂斯定律：強(qiáng)度為八的線偏振光通過檢偏器后，透射光的強(qiáng)度為I=|0cos2'式中e為入射偏振光的偏振方向與檢偏器偏振方向之間的夾角。當(dāng)以光線傳播方向為軸轉(zhuǎn)動檢偏器時，透射光強(qiáng)度I發(fā)生周期性變化。二、波晶片波晶片是從單軸晶體中切割下來的平面平行板，具表面平行于光軸。當(dāng)一束單色平行自然光正入射到波晶片上，光在晶體內(nèi)部便分解為。光與e光。o光電矢量垂直于光軸，e光電矢量平■行于光軸。而o光、e光的傳播方向不變，仍都與界面垂直。但o光在晶體內(nèi)的波速為Vo,e光的為Ve,即相應(yīng)的折射率no,ne不同。設(shè)晶片的厚度為l,則兩束光通過晶片后就有位相差2二二-=——（Mg-Ae）l九式中九為光波在真空中的波長。仃=2kn的晶片，稱為全波片；仃=（2k+1）n一1、；二=（2k）二者為半波片；2為/4片，以上的k都是任意整數(shù)。不論全波片、半波片或/4片都是對一定波長而言。以下直角坐標(biāo)系的選擇，使以e振動方向為橫軸，。振動方向為縱軸（以o軸為x軸，e軸為y軸亦可）。沿任意方向振動的光，正入射到波晶片的表面，其振動便按此坐標(biāo)系分解為e分量和o分量。三、光束通過波晶片后偏振態(tài)的改變平行光垂直入射到波晶片后，分解為e分量和o分量。透過晶片，二者之間產(chǎn)生一附加位相差仃。離開晶片時合成光波的偏振性質(zhì)，決定于仃及入射光的性質(zhì)。自然光通過波晶片，仍為自然光。因為自然光的兩個正交分量之間的位相差是無規(guī)則的，通過波晶片，引入一恒定的位相差，其結(jié)果還是無規(guī)則的。若入射光為線偏振光，其電矢量E平行于e軸（或。軸），則任何波長片對它都不起作用，出行光仍為原來的線偏振光。因為這時只有一個分量，談不上振動的合成與偏振態(tài)的改變。除上述兩情形外，偏振光通過波晶片，一般其偏振情況是要改變的。四、》2波片與偏振光若入射光為線偏振光，在?2片的前表面（入射處）上分解為：Ee二AeCOS、QtEo=Aocos(wt+中)中=o,n出射光表示為：2二,、Ee=Aecos(t-——Mel)A_..2二Eo=Adcos(t-一Mol)九我們關(guān)心的是二波的相對位相差，上式可寫為：Ee=AeCOSt_2二2二Eo=Acos(t-一nol-nel)=Aocos(t"；t；「)出射光二正交分量的相對位相差由（*一。）決定。現(xiàn)在0-二--二（:_;二）=｛二-二一0這說明出射光也是線偏振光，但振動方向與入射光的不同。如E入與晶片光軸成日角，則E出與光軸成-日角。即線偏振光經(jīng)）2片電矢量振動方向轉(zhuǎn)2角（如右圖）。若入射光為橢圓偏振光，作類似的分析可知，半波片也改變橢圓偏振光長（短）軸的取向。此外，半波片還改變橢園偏振光（圓偏振光）的旋轉(zhuǎn)方向。五、:4片與偏振光當(dāng)偏振光正入射于74片，仿照上述的分析、處理，可得出射光為：Ee二AeCOSt3T

個O"=+Eo=Aocos（t-二）一2（1）入射光為線偏振光：中_仃=十土①二0，n，上式代表一正橢圓偏振光。2,對應(yīng)于右旋；小豆平—CT=——2對應(yīng)于左旋。當(dāng)Ae=A。，出射光為圓偏振光。中=±二（2）入射光為圓偏振光：一2,此時Ae=A。，上式代表線偏振光。中一仃=0,出射光電矢量沿一、三象限；*一仃=冗出射光電矢量沿二、四象限。5、實驗主要步驟？一、起偏與檢偏、鑒別自然光與偏振光1、在光源至光屏的光路中放入起偏器%旋轉(zhuǎn)％觀察光屏上光斑強(qiáng)度的變化情況并作出判斷。2、用光電探頭接收P2出射的光束，旋轉(zhuǎn)P2,每轉(zhuǎn)過10°記錄一次相應(yīng)的光電流值，共轉(zhuǎn)180。，作出I~co§8關(guān)系曲線。二、觀測布儒斯特角及測定玻璃折射率1、放置起偏器P1和測布儒斯特角裝置，再在R和裝置之間放入帶小孔的光屏。調(diào)解玻璃平板，使反射光束與入射光束重合。記下初始角12、一面轉(zhuǎn)動玻璃平板，一面同時轉(zhuǎn)動起偏器R,使其透過方向在入射面內(nèi)。反復(fù)調(diào)節(jié)起偏器Pi直到反射光消失為止，此時記下玻璃平板的角度啊,CD_CpCD重復(fù)測量三次，求出平均值。計算出布儒斯特角°一2一1,并求出玻璃的折射率n03、把玻璃平板固定在布儒斯特角的位置上，去掉起偏器Pi,在反射光束中放入檢偏器P2并轉(zhuǎn)動P2,觀察反射光的偏振狀態(tài)。三、觀測橢圓偏振光和圓偏振光1、使Pi和P2正交，中間放入小波片并轉(zhuǎn)動波片至消光。2、按每次轉(zhuǎn)動15°,由15°?90°轉(zhuǎn)動十波片。在每一角度處沿同方向轉(zhuǎn)動P2至消光，記下P2相應(yīng)角度。將數(shù)據(jù)填入表（一）中，并作九九解釋。觀察平面偏振光通過2波片時的現(xiàn)象1、使Pi和B正交，中間放入了九波片并轉(zhuǎn)動波片至消光。2、按每次轉(zhuǎn)動15°,由15°?90°轉(zhuǎn)動了波片。在每一角度處沿同方向轉(zhuǎn)動P2至消光，記下P2相應(yīng)角度。將數(shù)據(jù)填入表（二）中，并作解釋。五、實驗注意事項？1、保護(hù)光學(xué)元件的光學(xué)表面，不得觸摸光學(xué)元件的光學(xué)表面。2、激光管兩端的高壓引線頭是裸露的，且激光