偏振光的觀測與研究教案

大學(xué)物理實驗課程教案課次授課方式（請打√）理論課□討論課□實驗課習(xí)題課□其他□課時安排3授課題目（教學(xué)章、節(jié)或主題）：偏振光的觀測與研究教學(xué)目的、要求（分掌握、熟悉、了解三個層次）：觀察光的偏振現(xiàn)象，加深對偏振概念的理解．了解偏振光的產(chǎn)生和檢驗方法．觀測布儒斯特角及測定玻璃折射率．學(xué)會區(qū)別自然光和圓偏振光、部分偏振光和橢圓偏振光.教學(xué)重點及難點：重點：了解偏振光的產(chǎn)生和檢驗方法．難點：觀測布儒斯特角及測定玻璃折射率教學(xué)基本內(nèi)容方法及手段偏振光的基本概念獲得偏振光的常用方法偏振片、波片及其作用起偏與檢偏鑒別自然光與偏振光，驗證馬呂斯定律觀測布儒斯特角及測定玻璃折射率觀察橢圓偏振光和圓偏振光考察平面偏振光通過1/2波片時的現(xiàn)象1.提問抽查學(xué)生預(yù)習(xí)情況2.講解實驗主要內(nèi)容及注意事項3.實物講解介紹儀器設(shè)備及注意事項4.通過輔導(dǎo)或提示幫助學(xué)生解決實驗中遇到的困難和障礙作業(yè)、討論題、思考題：什么是馬呂斯定律？本實驗如何驗證此定律？玻璃平板在布儒斯特角的位置上時，反射光束是什么偏振光？它的振動是在平行于入射面內(nèi)還是在垂直于入射面內(nèi)？如何通過一個偏振片來判別自然光和線偏振光？如何區(qū)別自然光和圓偏振光？如何區(qū)別部分偏振光和橢圓偏振光？課后小結(jié)：指導(dǎo)學(xué)生實驗時，既要面面俱到，事無俱細進行引導(dǎo)，同時，又要注意切忌包辦代替。從實驗材料的選擇、儀器的裝配到操作步驟和技巧，既要科學(xué)規(guī)范，又要密切結(jié)合具體實際，在尊重學(xué)生主體地位的同時，充分發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用，以保證現(xiàn)象清晰，結(jié)果正確。學(xué)生的動手能力個有不同，應(yīng)該因材施教，針對不同的學(xué)生，適當(dāng)加深實驗的難度。偏振光的觀測與研究引入實驗：目前偏振光的應(yīng)用已遍及工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、國防等部門．利用偏振光的各種精密儀器，已為科研、工程設(shè)計、生產(chǎn)技術(shù)的檢驗等提供了極有價值的方法．因此我們要了解掌握偏振光的特性，學(xué)會其應(yīng)用。實驗原理1．偏振光的基本概念按照光的電磁理論，光波就是電磁波，它的電矢量E和磁矢量H相互垂直．兩者均垂直于光的傳播方向．從視覺和感光材料的特性上看，引起視覺和化學(xué)反應(yīng)的是光的電矢量，通常用電矢量E代表光的振動方向，并將電矢量E和光的傳播方向所構(gòu)成的平面稱為光振動面．在傳播過程中，光的振動方向始終在某一確定方位的光稱為平面偏振光或線偏振光，如圖1（a）．光源發(fā)射的光是由大量原子或分子輻射構(gòu)成的．由于熱運動和輻射的隨機性，大量原子或分子發(fā)射的光的振動面出現(xiàn)在各個方向的幾率是相同的．一般來說，在10－6s內(nèi)各個方向電矢量的時間平均值相等，故出現(xiàn)如圖1（b）所示的所謂自然光．有些光的振動面在某個特定方向出現(xiàn)的幾率大于其他方向，即在較長時間內(nèi)電矢量在某一方向較強，這就是如圖1（c）所示的部分偏振光．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)則的變化，其電矢量末端在垂直于傳播方向的平面上的移動軌跡呈橢圓（或圓形），這樣的光稱為橢圓偏振光（或圓偏振光），如圖1（d）所示．圖1光波按偏振的分類2．獲得偏振光的常用方法(1)非金屬鏡面的反射通常自然光在兩種媒質(zhì)的界面上反射和折射時，反射光和折射光都將成為部分偏振光．但當(dāng)入射角增大到某一特定值時，鏡面反射光成為完全偏振光，其振動面垂直于入射面，如圖16-4-2所示，這時入射角稱為布儒斯特角，也稱為起偏角．圖圖2布儒斯特定律示意圖圖中“”、“－”均表示電矢量，反射光是振動面與入射面垂直的完全偏振光，折射光是部分偏振光．由布儒斯特定律得：其中、分別為兩種介質(zhì)的折射率．如果自然光從空氣入射到玻璃表面而反射時，對于各種不同材料的玻璃，已知其折射率的變化范圍在1.50到1.77之間，則可得布儒斯特角約在560—600之間．此方法可用來測定物質(zhì)的折射率．(2)多層玻璃片的折射當(dāng)自然光以布儒斯特角入射到由多層平行玻璃片重疊在一起構(gòu)成的玻璃片堆上時，由于在各個界面上的反射光都是振動面垂直入射面的線偏振光，故經(jīng)過多次反射后，透出來的透射光也就接近于振動方向平行于入射面的線偏振光．(3)利用偏振片的二向色性起偏將非偏振光變成偏振光的過程稱為起偏．某些有機化合物晶體（如硫酸碘奎寧或硫酸奎寧堿）具有二向色性，它往往吸收某一振動方向的入射光，而與此方向垂直振動的光則能透過，從而可獲得線偏振光．利用這類材料制成的偏振片可獲得較大截面積的偏振光束，但由于吸收不完全，所得的偏振光只能達到一定的偏振度．(4)利用晶體的雙折射起偏自然光通過各向異性的晶體時將發(fā)生雙折射現(xiàn)象，雙折射產(chǎn)生的尋常光（o光）和非尋常光（e光）均為線偏振光．o光光矢量的振動方向垂直于自己的主截面；e光光矢量的振動方向在自己的主截面內(nèi)．方解石是典型的天然雙折射晶體，常用它制成特殊的棱鏡以產(chǎn)生線偏振光．利用方解石制成的沃拉斯頓棱鏡能產(chǎn)生振動面互相垂直的兩束線偏振光；用方解石膠合成的尼科耳棱鏡能給出一個有固定振動面的線偏振光．3．偏振片、波片及其作用(1)偏振片偏振片是利用某些有機化合物晶體的二向色性，將其滲入透明塑料薄膜中，經(jīng)定向拉制而成．它能吸收某一方向振動的光，而透過與此垂直方向振動的光，由于在應(yīng)用時起的作用不同，用來產(chǎn)生偏振光的偏振片叫做起偏器；用來檢驗偏振光的偏振片，叫做檢偏器．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：I=I0cos2式中為入射偏振光的偏振方向與檢偏器偏振方向之間的夾角，顯然當(dāng)以光線傳播方向為軸轉(zhuǎn)動檢偏器時，透射光強度I將發(fā)生周期性變化．當(dāng)=時，透射光強最大；當(dāng)=90時，透射光強為極小值（消光狀態(tài)），當(dāng)<<90時，透射光強介于最大和最小值之間，如圖3所示，自然光通過起偏器與檢偏器的變化．SHAPE圖3光的起偏和檢偏根據(jù)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．(2)波片波片是用單軸晶體切成的表面平行于光軸的薄片．當(dāng)線偏振光垂直射到厚度為L、表面平行于自身光軸的單軸晶片時，會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，尋常光（o光）和非尋常光(e光)沿同一方向前進，但傳播的速度不同．這兩種偏振光通過晶片后，它們的相位差為：其中，為入射偏振光在真空中的波長，no和ne分別為晶片對o光和e光的折射率，L為晶片的厚度．我們知道，兩個互相垂直的、頻率相同且有固定相位差的簡諧振動，可用下列方程表示：從兩式中消去t，經(jīng)三角運算后得到合振動的方程式為由此式可知，當(dāng)時，，為線偏振光．當(dāng)時，，為正橢圓偏振光．在=時，為圓偏振光．當(dāng)為其它值時，為橢圓偏振光．在某一波長的線偏振光垂直入射到晶片的情況下，能使o光和e光產(chǎn)生相位差（相當(dāng)于光程差為的奇數(shù)倍）的晶片，稱為對應(yīng)于該單色光的二分之一波片（1/2波片）或波片；與此相似，能使o光和e光產(chǎn)生相位差（相當(dāng)于光程差為的奇數(shù)倍）的晶片，稱為四分之一波片（1/4波片）或波片．本實驗中所用波片是對（激光）而言的．如圖4所示，當(dāng)振幅為A的線偏振光垂直入射到1/4波片上，振動方向與波片光軸成角時，由于o光和e光的振幅分別為A和A，所以通過1/4波片合成的偏振狀態(tài)也隨角度的變化而不同．圖4線偏振光經(jīng)過1/4波片示意圖圖5線偏振光經(jīng)過1/2波片示意圖當(dāng)=時，獲得振動方向平行于光軸的線偏振光（e光）．當(dāng)=/2時，獲得振動方向垂直于光軸的線偏振光（o光）．當(dāng)=/4時，Ae=Ao獲得圓偏振光．當(dāng)為其它值時，經(jīng)過1/4波片后為橢圓偏振光．所以，可以用1/4波片獲得橢圓偏振光和圓偏振光．當(dāng)線偏振光經(jīng)過1/2波片后，Ae與Ao的位相差位，如圖5兩列光波合成后仍然為線偏振光，但振動方向較原方向轉(zhuǎn)動了2角度。實驗儀器光具座，He-Ne激光器，偏振片（起偏器、檢偏器），1/4波片，1/2波片，硅光電池，偏振光實驗儀，觀測布儒斯特角裝置．圖6實驗儀器實物圖實驗內(nèi)容與步驟1．起偏與檢偏鑒別自然光與偏振光，驗證馬呂斯定律在光源至光屏的光路上插入起偏器P1，旋轉(zhuǎn)P1，觀察光屏上光斑強度的變化情況．在起偏器P1后面再插入檢偏器P2．固定P1的方位,將P2轉(zhuǎn)動3600，觀察光屏上光斑強度的變化情況．有幾個消光方位？以硅光電池代替光屏接收P2出射的光束，旋轉(zhuǎn)P2，記錄相應(yīng)的光電流值，共轉(zhuǎn)900，在坐標(biāo)紙上作出I~cos2θ關(guān)系曲線．2．觀測布儒斯特角及測定玻璃折射率圖7圖7布儒斯特定律示意圖（入射光為線偏振光）在起偏器P1后，放入測布儒斯特角的裝置，然后調(diào)節(jié)起偏角度，使透射出來的偏振光的偏振方向水平（保證偏振方向在入射面內(nèi)）。旋轉(zhuǎn)載物玻璃平板，使反射的光束與入射光束重合（即觀察起偏器上的入射光點和反射光點重合），記下此時載物玻璃平板的初始角度．一面轉(zhuǎn)動載物玻璃平板，一面手拿光屏，接收反射光．反復(fù)調(diào)節(jié)直到反射光消光為止，記下載物玻璃平板的角度，重復(fù)測量三次．根據(jù)表2所示，求出和平均值，最后根據(jù)（＝1為空氣的折射率）得出玻璃的折射率．3．觀察橢圓偏振光和圓偏振光先使起偏器P1和檢偏器P2的偏振方向垂直（即檢偏器P2后的光屏上處于消光狀態(tài)），在起偏器P1和檢偏器P2之間插入1/4波片，轉(zhuǎn)動波片使P2后的光屏上仍處于消光狀態(tài)（此時=）．從=的位置開始，使檢偏器P2轉(zhuǎn)動，這時可以從屏上光強的變化看到經(jīng)過1/4波片后的光為線偏振光．取=900，使檢偏器P2轉(zhuǎn)動，這時也可以從屏上光強的變化看到經(jīng)過1/4波片后的光為線偏振光．其振動面與=時的振動面垂直．取為除00和900外的其他值，觀察轉(zhuǎn)動P2時屏上光強的變化，其結(jié)果與橢圓偏振光對應(yīng)．特別是當(dāng)=450時，P2轉(zhuǎn)動時屏上光強幾乎不變，這便是圓偏振光對應(yīng)的狀態(tài)．4．考察平面偏振光通過1/2波片時的現(xiàn)象（1）按圖8在光具座上依次放置各元件，使起偏器P1的振動面為垂直，檢偏器P2的振動面為水平（此時應(yīng)觀察到消光現(xiàn)象）．SPSP1CP2S光源P1起偏器P2檢偏器C1/2波片圖8線偏振光通過1/2波片光路圖（2）在P1、P2之間插入1/2波片（C），將C轉(zhuǎn)動360o，能看到幾次消光？解釋這一現(xiàn)象．（3）將C轉(zhuǎn)任意角度，這時消光現(xiàn)象被破壞，把P2轉(zhuǎn)動360o，觀察到什么現(xiàn)象？由此說明通過1/2波片后，光變成怎樣的偏振狀態(tài)？（4）仍使P1、P2處于正交，插入C，使消光，再將C轉(zhuǎn)15o，破壞其消光．轉(zhuǎn)動P2至消光位置，并記錄P2所轉(zhuǎn)動的角度．（5）繼續(xù)將C轉(zhuǎn)15o（即總轉(zhuǎn)動角為30o，）記錄A達到消光所轉(zhuǎn)總角度，依次使C總轉(zhuǎn)角45o、60o、75o、90o．記錄P2消光時所轉(zhuǎn)總角度．從上面實驗結(jié)果得出什么規(guī)律？怎么解釋這一規(guī)律．【注意事項】1．實驗中各元件不能用手摸，實驗完畢后按規(guī)定位置放好．2．不要讓激光束直接照射或反射到眼睛內(nèi)．【數(shù)據(jù)記錄及處理】表1馬呂斯定律驗證實驗P1與P2偏振化方向夾角光功率的讀數(shù)I（）實驗I/I0=cos2理論I/I0=cos2000.801.001.003000.560.700.754500.260.320.506000.160.200.259000.200.030.00表2玻璃折射率的測定與計算次數(shù)載物玻璃平板的角位置布儒斯特角玻璃折射率=光垂直入射時反射光消光時１132.0o75.5o56.5o56.53o1.51２78.4o21.5o56.9o３20.6o-35.6o56.2o表3平面偏振光通過1/2波片時變化規(guī)律C轉(zhuǎn)動角度P2初始角度P2末角度P2轉(zhuǎn)動角度15o114.0o142.1o28.1o30o172.9o58.9o45o200.0o86.0o60o233.0o119.0o75o264.5o150.5o90o294.4o180.4o【思考題】1.區(qū)分自然光和圓偏振光：如果用偏振片進行觀察時，光強隨偏振片的轉(zhuǎn)動沒有變