光學(xué)物理開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)報(bào)告

PAGE1-現(xiàn)代物理開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)現(xiàn)代物理開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱(chēng)：現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：自然光入射時(shí)反射及折射的偏振態(tài)專(zhuān)業(yè)：學(xué)號(hào)：姓名：實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)日期：03月10日~05月30日[實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵骫1.了解光偏振態(tài)的基本概念；2.進(jìn)一步探討自然光入射時(shí)反射及折射的偏振態(tài)與入射角度的關(guān)系。[實(shí)驗(yàn)器材]偏振片、玻璃板、分光計(jì)、檢流計(jì)、波片、橢偏儀等[實(shí)驗(yàn)原理和方法]如圖1所示，設(shè)兩透明各向同性介質(zhì)的折射率分別為和，入射光的入射角為，折射光的折射角為通常把光波中電矢量垂直于入射面的振動(dòng)分量稱(chēng)為S分量，平行于入射面的振動(dòng)分量稱(chēng)為P分量．入射光、反射光及折射光的S分量和P分量分別表示為與、與、與。若規(guī)定它們的正方向如圖1所示，則它們之間的關(guān)系為:圖1S分量和P分量的正方向（1）（2）（3）（4）(1)至(4)式就是菲涅耳公式。它描述了兩介質(zhì)分界面上反射光、折射光與入射光之間振幅、相位及偏振狀態(tài)的關(guān)系。探究反射光和折射光的偏振狀態(tài)參見(jiàn)圖1，設(shè)有一束太陽(yáng)光入射到兩介質(zhì)交界上，人射角為。由于太陽(yáng)光是自然光，因此入射到兩介質(zhì)交界上的太陽(yáng)光的電矢量垂直于入射面的分量和平行于入射面的分量的振幅大小相等，即(5)反射光的偏振狀態(tài)設(shè)反射光的電矢量垂直于折射面的分量為，電矢量平行于折射面的分量為。參見(jiàn)圖1，由菲涅耳公式(1)、(2)式及(5)式得（6）由(6)式可知，在一般情況下，≠。因此，反射光是部分偏振光。折射光的偏振狀態(tài)設(shè)折射光的電矢量垂直于折射面的分量為，電矢量平行于折射面的分量為。參見(jiàn)圖1，由菲涅耳公式(3)、(4)式及(5)式得（7）由(7)式可知，在一般情況下，≠。因此，折射光也是部分偏振光。三、思考：一束自然光入射到兩種介質(zhì)的分界面上，產(chǎn)生反射和折射。一般情況下，反射和折射光是部分偏振光，且反射光中垂直入射面的光振動(dòng)較強(qiáng)，折射光中平行入射面的光振動(dòng)較強(qiáng)。但在反射光與折射光中，它們各自的平行入射面的光振動(dòng)與垂直入射面的光振動(dòng)振幅之比，亦即其偏振態(tài)與入射角之關(guān)系如何，應(yīng)用菲涅耳公式就這一問(wèn)題進(jìn)行了討論。1基本原理一束自然光可以看作兩個(gè)互相獨(dú)立、等振幅、振動(dòng)方向互相垂直的線偏振光。因此，一束自然光以某一入射角入射到界面時(shí)，可將其光振動(dòng)視為垂直入射面與平行入射面的兩個(gè)等振幅的獨(dú)立光振動(dòng)來(lái)研究其反射和折射光的偏振行為。設(shè)分別表示入射光、反射光、折射光中垂直入射面的光振動(dòng)振幅分別表示入射光、反射光、折射光中平行入射面的光振動(dòng)振幅；分別表示入射角、反射角與折射角。根據(jù)菲涅耳公式。有（1）（2）（3）（4）對(duì)于自然光入射，據(jù)前述有，所以(2)式除以(1)式得（5）上式中,即為反射光中平行入射面與垂直入射面的光振動(dòng)振幅之比，它反映了反射光的偏振狀態(tài)。式中負(fù)號(hào)來(lái)源于(1)式，它反映的是在方向上的關(guān)系。在此，我們僅考慮其比值大小而不考慮方向問(wèn)題。為此，我們?nèi)〉慕^對(duì)值來(lái)討論反射光的偏振態(tài)。若入射自然光以角入射到折射率分別為和的兩種介質(zhì)的分界面上，且折射角為，則根據(jù)折射定律有，代入上式整理得：（6）同理可得：（7）由(6)、(7)兩式，我們便可討論反射、折射光中平行入射面的光振動(dòng)振幅與垂直入射面的光振動(dòng)振幅之比與入射角之關(guān)系，亦即反射、折射光的偏振態(tài)與之關(guān)系。[實(shí)驗(yàn)步驟](1)用一束自然光由空氣以不同入射角θ入射到空氣與水、空氣與玻璃的分界面上時(shí)得到兩組數(shù)據(jù)，。（2）再用一束自然光由水、玻璃以不同的入射角θ入射到水與空氣、玻璃與空氣的分界面上時(shí)得到另一組數(shù)據(jù)，。（3）繪制出四組數(shù)據(jù)的圖形進(jìn)行比較（取空氣、水、玻璃的折射率分別為11.321.6。[實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果]θ取值空氣與水空氣與水空氣與玻璃空氣與玻璃水與空氣水與空氣玻璃與空氣玻璃與空氣100.951.010.961.010.841.010.791.01200.901.010.921.020.651.020.521.03300.751.020.791.040.371.060.031.08400.411.020.511.070.091.100.481.26500.131.030.231.110.471.12————600.241.050.061.16————————700.371.090.311.22————————800.551.150.491.29————————[結(jié)論與分析](1)隨θ的增大而單調(diào)上升，而且這一上升在布儒斯特角兩側(cè)無(wú)起伏，這與隨θ的變化而表現(xiàn)出的類(lèi)v字型特征曲線形成鮮明的對(duì)照。(2)在隨θ變化而呈現(xiàn)出的V字型曲線中，最底部對(duì)應(yīng)布儒斯特角，但在布儒斯特角兩側(cè)．不是對(duì)稱(chēng)的。為此，可做如下證明：設(shè)為布儒斯特角。如果關(guān)于布儒斯特角呈對(duì)稱(chēng)關(guān)系，據(jù)(5)式應(yīng)有為使表達(dá)式有物理意義的任意角度值。整理上式得考慮到與的物理意義，為使上式成立只能是=0或=0，而=0意味著入射角、=0意味著入射角=0。所以上式當(dāng)在某個(gè)范圍內(nèi)變化時(shí)顯然是不成立的，因此曲線在兩側(cè)不是對(duì)稱(chēng)的。[參考文獻(xiàn)][1]藍(lán)海江。反射光和折射光的偏