大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)《偏振光的觀測與研究》

實(shí)驗(yàn)3.8偏振光的觀測與研究偏振光的理論意義和價(jià)值是，證明了光是橫波。同時(shí)，偏振光在很多技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如偏振現(xiàn)象應(yīng)用在攝影技術(shù)中可大大減小反射光的影響，利用電光效應(yīng)制作電光開關(guān)等?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．通過觀察光的偏振現(xiàn)象，加深對光波傳播規(guī)律的認(rèn)識。2．掌握偏振光的產(chǎn)生和檢驗(yàn)方法。3．觀察布儒斯特角及測定玻璃折射率。4．觀測圓偏振光和橢圓偏振光?！緦?shí)驗(yàn)儀器】光具座、激光器、光點(diǎn)檢流計(jì)、起偏器、檢偏器、1/4波片、1/2波片、光電轉(zhuǎn)換裝置、觀測布儒斯特角裝置、帶小孔光屏、鈉光燈?！緦?shí)驗(yàn)原理】按照光的電磁理論，光波就是電磁波，電磁波是橫波，所以光波也是橫波。在大多數(shù)情況下，電磁輻射同物質(zhì)相互作用時(shí)，起主要作用的是電場，因此常以電矢量作為光波的振動(dòng)矢量。其振動(dòng)方向相對于傳播方向的一種空間取向稱為偏振，光的這種偏振現(xiàn)象是橫波的特征。圖3-圖3-26自然光1．獲得偏振光的方法（1）非金屬鏡面的反射，當(dāng)自然光從空氣照射在折射率為n的非金屬鏡面（如玻璃、水等）上，反射光與折射光都將成為部分偏振光。當(dāng)入射角增大到某一特定值φ0時(shí)，鏡面反射光成為完全偏振光，其振動(dòng)面垂直于射面，這時(shí)入射角φ稱為布儒斯特角，也稱起偏振角，由布儒斯特定律得： （3-51）其中，n為折射率。（2）多層玻璃片的折射，當(dāng)自然光以布儒斯特角入射到疊在一起的多層平行玻璃片上時(shí)，經(jīng)過多次反射后透過的光就近似于線偏振光，其振動(dòng)在入射面內(nèi)。（3）晶體雙折射產(chǎn)生的尋常光（o光）和非常光（e光），均為線偏振光。（4）用偏振片可以得到一定程度的線偏振光。2．偏振片、波片及其作用（1）偏振片偏振片是利用某些有機(jī)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(dòng)的光，而透過與此垂直方向振動(dòng)的光，由于在應(yīng)用時(shí)起的作用不同而叫法不同，用來產(chǎn)生偏振光的偏振片叫做起偏器，用來檢驗(yàn)偏振光的偏振片叫做檢偏器。按照馬呂斯定律，強(qiáng)度為I0的線偏振光通過檢偏器后，透射光的強(qiáng)度為： （3-52）式中為入射偏振光的偏振方向與檢偏器偏振化方向之間的夾角，顯然當(dāng)以光線傳播方向?yàn)檩S轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器時(shí)，透射光強(qiáng)度I發(fā)生周期性變化。當(dāng)=0時(shí)，透射光強(qiáng)最大；當(dāng)=90時(shí)，透射光強(qiáng)為極小值（消光狀態(tài)）；當(dāng)0<<90時(shí)，透射光強(qiáng)介于最大和最小之間。自然光通過起偏器后可變?yōu)榫€偏振光，線偏振光振動(dòng)方向與起偏器的透光軸方向一致。因此，如果檢偏器的透光軸與起偏器的透光軸平行，則在檢偏器后面可看到一定光強(qiáng)，如果二者垂直時(shí)，則無光透過，如圖3-27所示。其中（a）圖為起偏器透光軸P1與檢偏器透光軸P2平行的情況；（b）圖為起偏器透光軸P1與檢偏器透光軸P2垂直的情況。此時(shí)透射光強(qiáng)為零，此種現(xiàn)象稱為消光。在實(shí)驗(yàn)中要經(jīng)常利用“消光”現(xiàn)象來判斷光的偏振狀態(tài)。圖3-27偏振光（2）波片波片也稱相位延遲片，是由晶體制成的厚度均勻的薄片，其光軸與薄片表面平行，它能使晶片內(nèi)的o光和e光通過晶片后產(chǎn)生附加相位差。根據(jù)薄片的厚度不同，可以分為1/2波長片，1/4波長片等，所用的1/2、1/4波長片皆是對鈉光而言的。當(dāng) （3-53）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e光的折射率，L為晶片的厚度。我們知道，兩個(gè)互相垂直的，同頻率且有固定相位差的簡諧振動(dòng)，可用下列方程表示（通過晶片后o光和e光的振動(dòng)）：從兩式中消去t，經(jīng)三角運(yùn)算后得到全振動(dòng)的方程式為： （3-54）由此式可知；①當(dāng)=K（K

=

0，1.2.……）時(shí)，為線偏振光。②當(dāng)（K

=

0，1.2.……）時(shí)，為正橢圓偏振光。在Ao

=

Ae時(shí)，為圓偏振光。③當(dāng)為其他值時(shí)，為橢圓偏振光。在某一波長的線偏振光垂直入射于晶片的情況下，能使o光和e光產(chǎn)生相位差=(2K

+

1)（相當(dāng)于光程差為/2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（/2波片），與此相似，能使o光和e光產(chǎn)生相位（相當(dāng)于光程差為λ/4的奇數(shù)倍）的晶片，稱為四分之一波片（/4波片）。本實(shí)驗(yàn)中所用波片（/4）是對6328A（He-Ne激光）而言的。如圖3-28所示，當(dāng)振幅為A的線偏振光垂直入射到/4波片上，振動(dòng)方向與波片光軸成角時(shí)，由于o光和e光的振幅分別為Asin和Acos，所以通過/4波片后合成的偏振狀態(tài)也隨角度的變化而不同。①當(dāng)=0時(shí)，獲得振動(dòng)方向平行于光軸的線偏振光。②當(dāng)=/2時(shí)，獲得振動(dòng)方向垂直于光軸的線偏振光。③當(dāng)=/4時(shí)，Ae

=

Ao獲得圓偏振光。④當(dāng)為其他值時(shí)，經(jīng)過/4波片后為橢圓偏振光。3．橢圓偏振光的測量橢圓偏振光的測量包括長、短軸之比及長、短軸方位的測定。如圖3-29所示，當(dāng)檢偏器方位與橢圓長軸的夾角為時(shí)，則透射光強(qiáng)為：圖3-28圖3-29當(dāng)=時(shí)當(dāng)時(shí)則橢圓長短軸之比為 （3-55）橢圓長軸的方位即為的方位。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】1．起偏與檢偏鑒別自然光與偏振光（1）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(qiáng)度的變化情況。（2）在起偏器P1后面再插入檢偏器P2，固定P1方位，旋轉(zhuǎn)P2，旋轉(zhuǎn)360，觀察光屏上光斑強(qiáng)度的變化情況。有幾個(gè)消光方位？（3）以硅光電池代替光屏接收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，在坐標(biāo)紙上作出I0～cos2關(guān)系曲線。2．觀察布儒斯特角及測定玻璃折射率（1）在起偏器P1后插入測布儒斯特角裝置，再在P1和裝置之間插入一個(gè)帶小孔的光屏。調(diào)節(jié)玻璃平板，使反射光束與入射光束重合，記下初始角。（2）一面轉(zhuǎn)動(dòng)玻璃平板，一面同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)起偏器P1，使其透過方向在入射面內(nèi)。反復(fù)調(diào)節(jié)直到反射光消失為止，此時(shí)記下玻璃平板的角度，重復(fù)測量三次，求平均值，算出布儒斯特角。（3）把玻璃平板固定在布儒斯特角的位置上，去掉起偏器P1，在反射光束中插入檢偏器P2，旋轉(zhuǎn)P2，觀察反射光的偏振狀態(tài)。3．觀測橢圓偏振光和圓偏振光（1）如圖3-30所示，先使起偏器P1和檢偏器P2偏振軸垂直（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/4波片，轉(zhuǎn)動(dòng)波片使P2后的光屏上仍處于消光狀態(tài)。用硅光電池（及光點(diǎn)檢流計(jì)組成的光電轉(zhuǎn)換器）取代光屏。圖3-30（2）將起偏器P1轉(zhuǎn)過20，調(diào)節(jié)硅光電池使透過P2的光全部進(jìn)入硅光電池的接收孔內(nèi)。轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器P2找出最大電流的位置，并記下光電流的數(shù)值。重復(fù)測量3次，求平均值。（3）轉(zhuǎn)動(dòng)P1，使P1的光軸與/4波片的光軸的夾角依次為30、45、60、75、90值，在取上述每一個(gè)角度時(shí)，都將檢偏器P2轉(zhuǎn)動(dòng)一周，觀察從P2透出光的強(qiáng)度變化。4．觀察線偏振光通過1/2波片時(shí)的現(xiàn)象（在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行）（1）固定起偏器，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器至消光位置并固定不動(dòng)。（2）在起偏器與檢偏器之間插入1/2波長片。（3）轉(zhuǎn)動(dòng)1/2波長片一周，能看到幾次消光？（4）轉(zhuǎn)1/2波長片，并在“出光”一側(cè)觀察直至出現(xiàn)消光現(xiàn)象。記下此時(shí)1/2波長片與檢偏器的角度值。（5）轉(zhuǎn)動(dòng)1/2波長片，其角度α

=

15，此時(shí)，消光被破壞，在轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器至消光位置，再記下此時(shí)1/2波長片與檢偏器的角度值。（6）繼續(xù)進(jìn)行類似的調(diào)節(jié)，使得1/2波長片轉(zhuǎn)過的角度依次為30，45，60，75和90，相應(yīng)的調(diào)節(jié)檢偏器至消光位置，記下此時(shí)的角度值。將以上所記角度值填入表3-10中。表3-10 線偏振光通過1/2波片的數(shù)據(jù)記錄1/2波長片轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器P的α角度值起始位置角度值轉(zhuǎn)至消光位置角度值檢偏器轉(zhuǎn)過的角度值153045607590從上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出什么規(guī)律？怎樣解釋這一規(guī)律?！緮?shù)據(jù)處理】（1）數(shù)據(jù)表格自擬。（2）在坐標(biāo)紙上描繪出Ip～cos2關(guān)系曲線。（3）求出布儒斯特角，并由公式（3-51）求出平板玻璃的相對折射率。（4）由公式（3-55）求出20°時(shí)橢圓偏振光的長、短軸之比，并以理論值為準(zhǔn)求出相對誤差?！舅伎碱}】1．如何應(yīng)用光的偏振現(xiàn)象說明光的橫波特性？怎樣區(qū)別自然光和偏振光？2．玻璃平板在布儒斯特角的位置上時(shí)，反射光束是什么偏振光？它的振動(dòng)是在平行于入射面內(nèi)還是在垂直于入射面內(nèi)？3．波片與P1的夾角為何值時(shí)產(chǎn)生圓偏振光？為什么？4．兩片偏振片用支架安置于光具座上，正交后消光，一片不動(dòng)，另一片的2個(gè)表面旋轉(zhuǎn)180，會有什么現(xiàn)象？如有出射光，是什么原因？5．2片正交偏振片中間再插入一偏振片會有什么現(xiàn)象？怎樣解釋？6．波片的厚度與光源的波長什么關(guān)系？附：光學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用光源能夠發(fā)光的物體統(tǒng)稱為光源。實(shí)驗(yàn)室中常用的是將電能轉(zhuǎn)換為光能的光源—電光源。常見的有熱輻射光源和氣體放電光源及激光光源3類。1．熱輻射光源常用的熱輻射光源是白熾燈。普通燈泡就是白熾燈，可作白色光源，應(yīng)按儀器要求和燈泡上指定的電壓使用，如光具座、分光計(jì)、讀數(shù)顯微鏡等。2．氣體放電光源實(shí)驗(yàn)室常用的鈉燈和汞燈（又稱水銀燈）可作為單色光源，它們的工作原理都是以金屬Na或Hg蒸汽在強(qiáng)電場中發(fā)生的游離放電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的弧光放電燈。在220V額定電壓下，低壓鈉燈發(fā)出波長為589.0nm和589.6nm的兩種單色黃光最強(qiáng)，可達(dá)85%，而其他幾種波長為818.0nm和819.1nm等的光僅有15%。所以，在一般應(yīng)用時(shí)取589.0nm和589.6nm的平均值589.3nm作為鈉光燈的波長值。汞燈可按其氣壓的高低，分為低壓汞燈、高壓汞燈和超高壓汞燈。低壓汞燈最為常用，其電源電壓與管端工作電壓分別為220V和20V，正常點(diǎn)燃時(shí)發(fā)出青紫色光，其中主要包括7（綠）、491.60nm（藍(lán)綠）、435.84nm（藍(lán)紫）、404.66nm（紫）。使用鈉燈和汞燈時(shí)，燈管必須與一定規(guī)格的鎮(zhèn)流器（限流器）串聯(lián)后才能接到電源上去，以穩(wěn)定工作電流。鈉燈和汞燈點(diǎn)燃后一般要預(yù)熱3～4分鐘才能正常工作，熄滅后也需冷卻3～4分鐘后，方可重新開啟。3．激光光源激光是20世紀(jì)60年代誕生的新光源。激光（Laser）是“受激輻射光放大”的簡稱。它具有發(fā)光強(qiáng)度大、方向性好、單色性強(qiáng)和相干性好等優(yōu)點(diǎn)。激光器是產(chǎn)生激光的裝置，它的種類很多，如氦氖激光器、氬離子激光器、二氧化碳激光器、紅寶石激光器等。實(shí)驗(yàn)室中常用的激光器是氦氖（He-Ne）激光器。它由激光工作的氦氖混合氣體、激勵(lì)裝置和光學(xué)諧振腔3部分組成。氦氖激光器發(fā)出的光波波長為632.8nm，輸出功率在幾毫瓦到十幾毫瓦之間，多數(shù)氦氖激光管的管長為200～300mm，兩端所加高壓是由倍壓整流或開關(guān)電源產(chǎn)生，電壓高達(dá)1500～8000V，操作時(shí)應(yīng)嚴(yán)防觸摸，以免造成觸電事故。由于激光束輸出