偏振光的观测与研究~~实验报告
光偏振现象的研究实验报告
光偏振现象的研究实验报告一、引言光偏振现象是指光波在传播过程中，振动方向只在一个平面内的现象。
光偏振现象的研究对于理解光学原理及其应用具有重要意义。
本实验旨在通过测量不同偏振方向下透射光强度的变化，探究光偏振现象的基本原理及其应用。
二、实验原理1. 光偏振概念当一束光波在传播过程中，振动方向只在一个平面内时，称为偏振光。
如果此时所选平面与传播方向垂直，则称为线性偏振光。
2. 偏振片偏振片是一种能够选择或制造出特定偏振方向的器件。
常见的有各种材料制成的线性偏振片、四分之一波片和半波片等。
3. 马吕斯定律马吕斯定律指出：当线性偏振光通过另一个线性偏振片时，透射光强度与两者间夹角θ满足cos2θ关系。
4. 假设条件本实验中所涉及到的所有器件均为理想器件，忽略了实际器件的各种不完美因素。
三、实验装置1. He-Ne激光器2. 偏振片（线性偏振片、四分之一波片、半波片）3. 透镜4. 探测器四、实验步骤1. 将He-Ne激光器放置于台架上，开启电源，调节激光束方向，使其垂直于偏振片的传播方向。
2. 将线性偏振片插入激光束路径中，并旋转偏振片，观察透射光强度的变化。
3. 将四分之一波片插入激光束路径中，并旋转四分之一波片和线性偏振片，观察透射光强度的变化。
4. 将半波片插入激光束路径中，并旋转半波片和线性偏振片，观察透射光强度的变化。
5. 通过探测器测量不同角度下透射光强度，并记录数据。
五、实验结果与分析1. 线性偏振片当线性偏振片与激光束的偏振方向垂直时，透射光强度为0。
随着偏振片旋转，透射光强度呈现出cos2θ的变化规律，符合马吕斯定律。
2. 四分之一波片四分之一波片能够将线性偏振光转化为圆偏振光。
当线性偏振片与四分之一波片的快轴和慢轴夹角为45°时，透射光强度最大；当夹角为0°或90°时，透射光强度为0。
3. 半波片半波片能够将线性偏振光转化为相反方向的线性偏振光。
当线性偏振片与半波片的快轴和慢轴夹角为45°时，透射光强度最大；当夹角为0°或90°时，透射光强度为0。
偏振光的观测与研究~~实验报告
偏振光的不雅测与研讨光的干预和衍射试验证清楚明了光的摇动性质.本试验将进一步解释光是横波而不是纵波,即其E和H 的振动偏向是垂直于光的传播偏向的.光的偏振性证清楚明了光是横波,人们经由过程对光的偏振性质的研讨,更深入地熟悉了光的传播纪律和光与物资的互相感化纪律.今朝偏振光的运用已普遍于工农业.医学.国防等部分.运用偏振光装配的各类周详仪器,已为科研.工程设计.临盆技巧的磨练等,供给了极有价值的办法.【试验目标】1．不雅察光的偏振现象,加深偏振的根本概念.2．懂得偏振光的产生和磨练办法.3．不雅测布儒斯特角及测定玻璃折射率.4．不雅测椭圆偏振光和圆偏振光.【试验仪器】光具座.激光器.偏振片.1/4波片.1/2波片.光电转换装配.光点检流计.不雅测布儒斯特角装配图1 试验仪器什物图【试验道理】1．偏振光的根本概念按照光的电磁理论,光波就是电磁波,它的电矢量E和磁矢量H互相垂直.两者均垂直于光的传播偏向.从视觉和感光材料的特征上看,引起视觉和化学反响的是光的电矢量,通经常运用电矢量E代表光的振动偏向,并将电矢量E和光的传播偏向所组成的平面称为光振动面.在传播进程中,光的振动偏向始终在某一肯定方位的光称为平面偏振光或线偏振光,如图2（a）.光源发射的光是由大量原子或分子辐射组成的.因为热活动和辐射的随机性,大量原子或分子发射的光的振动面出如今各个偏向的几率是雷同的.一般说,在10－6s内各个偏向电矢量的时光平均值相等,故消失如图2（b）所示的所谓天然光.有些光的振动面在某个特定偏向消失的几率大于其他偏向,即在较长时光内电矢量在某一偏向较强,这就是如图2（c）所示的所谓部分偏振光.还有一些光,其振动面的取向和电矢量的大小随时光作有规矩的变更,其电矢量末尾在垂直于传播偏向的平面上的移动轨迹呈椭圆（或圆形）,如许的光称为椭圆偏振光（或圆偏振光）,如图2（c）所示.图2 光波按偏振的分类2．获得偏振光的经常运用办法(1)非金属镜面的反射.平日天然光在两种媒质的界面上反射和折射时,反射光和折射光都将成为部分偏振光.并且当入射角增大到某一特定值时,镜面反射光成为完整偏振光,其振动面垂直于入射面,如图3所示,这时入射角称为布儒斯特角,也称为起偏角.由布儒斯特定律得：个中.分离为两种介质的折射率,为相半数射率.假如天然光从空气入射到玻璃概况而反射时,对于各类不合材料的玻璃,已知其相半数射率n的变更规模在1.50到1.77之间,则可得布儒斯特角约在560—600之间.此办法可用来测定物资的折射率.(2)多层玻璃片的折射.当天然光以布儒斯特角入射到由多层平行玻璃片重叠在一路组成的玻璃片堆上时,因为在各个界面上的反射光都是振动面垂直入射面的线偏振光,故经由多次反射后,透出来的透射光也就接近于振动偏向平行于入射面的线偏振光.(3)运用偏振片的二向色性起偏.将非偏振光变成偏振光的进程称为起偏.某些有机化合物晶体具有二向色性,它往往接收某一振动偏向的入射光,而与此偏向垂直振动的光则能透过,从而可获得线偏振光.运用这类材料制成的偏振片可获得较大截面积的偏振光束,但因为接收不完整,所得的偏振光只能达到必定的偏振度.(4)运用晶体的双折射起偏.天然光经由过程各向异性的晶体时将产生双折射现象,双折射产生的平常光（o光）和异常光（e光）均为线偏振光.o光光矢量的振动偏向垂直于本身的主截面;e光光矢量的振动偏向在本身的主截面内.方解石是典范的天然双折射晶体,经常运用它制成特别的棱镜以产生线偏振光.运用方解石制成的沃拉斯顿棱镜能产生振动面互相垂直的两束线偏振光;用方解石胶合成的尼科耳棱镜能给出一个有固定振动面的线偏振光.3．偏振片.波片及其感化(1)偏振片偏振片是运用某些有机化合物晶体的二向色性.将其渗入透明塑料薄膜中,经定向拉制而成.它能接收某一偏向振动的光,而透过与此垂直偏向振动的光,因为在运用时起的感化不合,用来产生偏振光的偏振片叫做起偏器;用来磨练偏振光的偏振片,叫做检偏器.按照马吕斯定律,强度为I0的线偏振光经由过程检偏器后,透射光的强度为：I = I0 cos2式中为入射偏振光的偏振偏向与检偏器偏振轴之间的夹角,显然当以光线传播偏向为轴迁移转变检偏器时,透射光强度I将产生周期性变更.当 = 时,透射光强最大;当 =90 时,透射光强为微小值（消光状况）,当 < <90 时,透射光强介于最大和最小值之间,如图所示暗示了天然光经由过程起偏器与检偏器的变更.图4 光波的起偏核检偏依据透射光强度变更的情形,可以差别线偏振光.天然光和部分偏振光.(2)波片波片是用单轴晶体切成的概况平行于光轴的薄片.当线偏振光垂直射到厚度为L,概况平行于自身光轴的单轴晶片时,会产生双折射现象,平常光（O光）和异常光(e光)沿统一偏向进步,但传播的速度不合.这两种偏振光经由过程晶片后,它们的相位差为：个中,为入射偏振光在真空中的波长,no和ne分离为晶片对o光和e光的折射率,L为晶片的厚度.我们知道,两个互相垂直的.频率雷同且有固定相位差的简谐振动,可用下列方程暗示（如经由过程晶片后光和光的振动）：从两式中消去t,经三角运算后得到合振动的方程式为由此式可知,1当时,,为线偏振光.2当时,,为正椭圆偏振光.在 = 时,为圆偏振光.3当为其它值时,为椭圆偏振光.在某一波长的线偏振光垂直入射到晶片的情形下,能使o光和e光产生相位差（相当于光程差为的奇数倍）的晶片,称为对应于该单色光的二分之一波片（1/2波片）或波片;与此类似,能使o光和e 光产生相位差（相当于光程差为的奇数倍）的晶片,称为四分之一波片（1/4波片）或波片.本试验中所用波片（）是对（激光）而言的.如图5所示,当振幅为A的线偏振光垂直入射到1/4波片上,振动偏向与波片光轴成角时,因为o光和e光的振幅分离为A 和A ,所以经由过程1/4波片合成的偏振状况也随角度的变更而不合.图51当 = 时,获得振动偏向平行于光轴的线偏振光（e光）.2当 = /4时,获得振动偏向垂直于光轴的线偏振光（o光）.3当 = /2时,Ae=Ao获得圆偏振光.4当为其它值时,经由1/4波片后为椭圆偏振光.所以,可以用1/4波片获得椭圆偏振光和圆偏振光.【试验内容与步调】1．起偏与检偏辨别天然光与偏振光,验证马吕斯定律.(1) 在光源至光屏的光路上拔出起偏器P1,扭转P1,不雅察光屏上光斑强度的变更情形.(2) 在起偏器P1后面再拔出检偏器P2.固定P1的方位,扭转P2 ,扭转3600,不雅察光屏上光斑强度的变更情形.有几个消光方位？(3) 以硅光电池代替光屏接收P2出射的光束,扭转P2,记载响应的光电流值,共转900,在坐标纸上作出I~cos2θ关系曲线. 2．不雅测布儒斯特及测定玻璃折射率(1) 在起偏器P1后,拔出测布儒斯特角的装配,再在P1和装配之间拔出一个带小孔的光屏.调节玻璃平板,使反射的光束与入射光束重合.记下初始角.(2) 一面迁移转变玻璃平板,一面同时迁移转变起偏器P1,使其透过偏向在入射面内.反复调节直到反射光消掉为止,此时记下玻璃平板的角度,反复测量三次,求平均值.算出布儒斯特角.(3) 把玻璃平板固定在平儒斯特角的地位上,去掉落起偏器P1,在反射光束拔出检偏器P2,转P2,不雅察反射光的偏振状况.3．不雅察椭圆偏振光和圆偏振光(1) 先使起偏器P1和检偏器P2的偏振轴垂直（即检偏器P2后的光屏上处于消光状况）,在起偏器P1和检偏器P2之间拔出1/4波片,迁移转变波片使P2后的光屏上仍处于消光状况（此时= ）.(2) 从 = 的地位开端,使检偏器P2迁移转变,这时可以从屏上光强的变更看到经由1/4波片后的光为线偏振光.(3) 取 =900,使检偏器P2迁移转变,这时也可以从屏上光强的变更看到经由1/4波片后的光为线偏振光.其振动面与 = 时的振动面垂直.(4) 取为除00和900外的其他值,不雅察迁移转变P2时屏上光强的变更,其成果与椭圆偏振光对应.特别是当 =450时,P2迁移转变时屏上光强几乎不变,这等于圆偏振光对应的状况.【留意事项】1.试验中各元件不克不及用手摸,试验完毕后按划定地位放置好.2.不要让激光束直接照耀或反射到人眼内.【数据记载及处理】表1 马吕斯定律验证试验表2 玻璃折射率的测定与盘算【思虑题】1．偏振光的获得办法有哪几种？2．经由过程起偏和检偏的不雅测,你应该如何判别天然光和偏振光？3．什么是马吕斯定律？本试验若何验证此定律？4．玻璃平板在布儒斯特角的地位上时,反射光束是什么偏振光？它的振动是在平行于入射面内照样在垂直于入射面内？。
实验十 偏振光的观察与研究
Aee ，其大小为
Aoe = Ao sin β = A sin α sin β Aee = Ae cos β = A cosα cos β
（10-4）
图4 可见这两束光是同频率、不等振幅、振动平面在同一平面内的相干光。因此，透 射光的光强 (按双光束干涉的光强计算方法)为
I2
=
Ao2e
+
Ae2e
+
实验十 偏振光的观察与研究
实验目的
1．观察光的偏振现象，加深对偏振光的理解。 2．掌握产生和检验偏振光的原理和方法。
实验仪器
氦氖激光器，偏振片(或尼科耳棱镜)，半波片， 1/4 波片，硅光电池，灵 敏电流汁，减光板，玻璃片。
实验原理
能使自然光变成偏振光的装置或器件称为起偏器。用来检验偏振光的装置或 器件称为检偏器。实际上，能产生偏振光的器件，同样可用作检偏器。 1．平面偏振光的产生 （1）由反射和折射产生偏振
δ
=
2π λο
(nο
− ne )d
（ 10-1）
其中 λo 表示光在真空中的波长， no, ne 分别为晶体中 o 光与 e 光的折射率。
(1) 如果晶片的厚度使产生的位相差δ = 1 (2k + 1)π (k = 0,1,2...) ，这样的晶片称 2
为 1／4 波片．平面偏振光通过 1／4 波片后，透射光一般是椭圆偏振光，当α = π 4
偏振光的观察与研究实验报告
偏振光的观察与研究实验报告一、实验目的1。
观察光的偏振现象，加深偏振的基本概念.2. 了解偏振光的产生和检验方法。
3。
观测椭圆偏振光和圆偏振光。
二、实验仪器偏振光观察与研究的实验装置包括一下几个部分:光源（可发出多种类型激光），偏振片,波晶片（λ/2 和λ/4 波长)，光屏。
1.光源：双击实验桌上光源小图标弹出光源的调节窗体.单击调节窗体的光源开关可以切换光源开关状态;可以选择光源发出光的类型，包括自然光、椭圆偏振光、圆偏振光、线偏振光、部分偏振光。
光源默认发出是自然光.2.偏振片:双击桌面上偏振片小图标,弹出偏振片的调节窗体。
初始化时偏振片的旋转角度是随机的,用户使用时需要手动去校准。
最大旋转范围为360°，最小刻度为1°。
可以通过点击调节窗体中旋钮来逆时针或顺时针旋转偏振片。
3.波晶片：分为λ/2 和λ/4 波长波片,双击桌面上波晶片小图标，弹出波晶片的调节窗体。
初始化时波晶片的旋转角度是随机的,用户使用时需要手动去校准.最大旋转范围为360°，最小刻度为1°。
三、实验原理1。
偏振光的概念和产生：光的偏振是指光的振动方向不变，或光矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆的现象。
光有五种偏振态：自然光（非偏振光)，线偏振光，部分偏振光，圆偏振光，椭圆偏振光.反射光中的垂直于入射面的光振动（称s分量）多于平行于入射面的光振动（称p 分量）；而透射光则正好相反。
在改变入射角的时候，出现了一个特殊的现象，即入射角为一特定值时，反射光成为完全线偏振光(s分量）。
折射光为部分偏振光，而且此时的反射光线和折射光线垂直。
2. 改变偏振态的方法和器件：①光学棱镜：如尼科耳棱镜、格兰棱镜等,利用光学双折射的原理制成的；②偏振片：它是利用聚乙烯醇塑胶膜制成，它具有梳状长链形结构分子，这些分子平行排列在同一方向上，此时胶膜只允许垂直于排列方向的光振动通过,因而产生线偏振光。
偏振光的观测与研究~~实验报告
偏振光得观测与研究光得干涉与衍射实验证明了光得波动性质。
本实验将进一步说明光就是横波而不就是纵波,即其E与H得振动方向就是垂直于光得传播方向得。
光得偏振性证明了光就是横波,人们通过对光得偏振性质得研究,更深刻地认识了光得传播规律与光与物质得相互作用规律。
目前偏振光得应用已遍及于工农业、医学、国防等部门。
利用偏振光装置得各种精密仪器,已为科研、工程设计、生产技术得检验等,提供了极有价值得方法。
【实验目得】1.观察光得偏振现象,加深偏振得基本概念。
2．了解偏振光得产生与检验方法。
3.观测布儒斯特角及测定玻璃折射率。
4.观测椭圆偏振光与圆偏振光。
【实验仪器】光具座、激光器、偏振片、1/4波片、１／２波片、光电转换装置、光点检流计、观测布儒斯特角装置图1实验仪器实物图【实验原理】1.偏振光得基本概念按照光得电磁理论,光波就就是电磁波，它得电矢量Ｅ与磁矢量H相互垂直。
两者均垂直于光得传播方向。
从视觉与感光材料得特性上瞧,引起视觉与化学反应得就是光得电矢量,通常用电矢量E代表光得振动方向,并将电矢量E与光得传播方向所构成得平面称为光振动面。
在传播过程中,光得振动方向始终在某一确定方位得光称为平面偏振光或线偏振光,如图２（a)。
光源发射得光就是由大量原子或分子辐射构成得。
由于热运动与辐射得随机性,大量原子或分子发射得光得振动面出现在各个方向得几率就是相同得。
一般说，在１0-6ｓ内各个方向电矢量得时间平均值相等,故出现如图2(b)所示得所谓自然光。
有些光得振动面在某个特定方向出现得几率大于其她方向，即在较长时间内电矢量在某一方向较强,这就就是如图2（c)所示得所谓部分偏振光。
还有一些光,其振动面得取向与电矢量得大小随时间作有规则得变化,其电矢量末端在垂直于传播方向得平面上得移动轨迹呈椭圆(或圆形),这样得光称为椭圆偏振光（或圆偏振光),如图2(ｃ)所示。
图2 光波按偏振得分类2.获得偏振光得常用方法(1)非金属镜面得反射。
偏振光的观测与研究~~实验报告
偏振光的观测与研究光的干涉和衍射实验证明了光的波动性质。
本实验将进一步说明光是横波而不是纵波，即其 E 和H 的振动方向是垂直于光的传播方向的。
光的偏振性证明了光是横波，人们通过对光的偏振性质的研究，更深刻地认识了光的传播规律和光与物质的相互作用规律。
目前偏振光的应用已遍及于工农业、医学、国防等部门。
利用偏振光装置的各种精密仪器，已为科研、工程设计、生产技术的检验等，提供了极有价值的方法。
【实验目的】1．观察光的偏振现象，加深偏振的基本概念。
2．了解偏振光的产生和检验方法。
3．观测布儒斯特角及测定玻璃折射率。
4．观测椭圆偏振光和圆偏振光。
【实验仪器】光具座、激光器、偏振片、1/4 波片、1/2 波片、光电转换装置、光点检流计、观测布儒斯特角装置图 1 实验仪器实物图【实验原理】1．偏振光的基本概念按照光的电磁理论，光波就是电磁波，它的电矢量 E 和磁矢量H 相互垂直。
两者均垂直于光的传播方向。
从视觉和感光材料的特性上看，引起视觉和化学反应的是光的电矢量，通常用电矢量E 代表光的振动方向，并将电矢量E 和光的传播方向所构成的平面称为光振动面。
在传播过程中，光的振动方向始终在某一确定方位的光称为平面偏振光或线偏振光，如图2 （a）。
光源发射的光是由大量原子或分子辐射构成的。
由于热运动和辐射的随机性，大量原子或分子发射的光的振动面出现在各个方向的几率是相同的。
一般说，在10 6s 内各个方向电矢量的时间平均值相等，故出现如图2（b）所示的所谓自然光。
有些光的振动面在某个特定方向出现的几率大于其他方向，即在较长时间内电矢量在某一方向较强，这就是如图2 （c）所示的所谓部分偏振光。
还有一些光，其振动面的取向和电矢量的大小随时间作有规则的变化，其电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的移动轨迹呈椭圆（或圆形），这样的光称为椭圆偏振光（或圆偏振光），如图2（c）所示。
图 2 光波按偏振的分类2．获得偏振光的常用方法（1）非金属镜面的反射。
偏振光分析实验报告
一、实验目的1. 观察光的偏振现象，加深对光的偏振现象的认识。
2. 学习直线偏振光的产生与检验方法，了解圆偏振光和正椭圆偏振光的产生与检验方法。
3. 掌握1/4波片、1/2波片等光学元件的作用及使用方法。
4. 验证马吕斯定律，加深对光的偏振理论的理解。
二、实验原理1. 光的偏振现象：光是一种电磁波，其电矢量在垂直于传播方向的平面上振动。
当光波的电矢量振动方向固定时，光称为线偏振光；当电矢量振动方向随时间作有规律的变化时，光称为圆偏振光或椭圆偏振光。
2. 偏振光的产生与检验：利用偏振片、波片等光学元件可以产生和检验偏振光。
偏振片可以使自然光变为线偏振光，波片可以改变光的偏振状态。
3. 马吕斯定律：当一束线偏振光通过一个偏振片时，出射光的强度与入射光强度、入射光与偏振片的夹角之间的关系满足马吕斯定律。
三、实验仪器1. He-Ne激光器2. 光具座3. 偏振片（两块）4. 1/4波片（两块）5. 1/2波片（两块）6. 玻璃平板及刻度盘7. 白屏四、实验步骤1. 将激光器发出的光束通过偏振片P1，得到线偏振光。
2. 将线偏振光通过1/4波片B1，得到圆偏振光。
3. 将圆偏振光通过1/2波片B2，观察出射光的偏振状态。
4. 将线偏振光通过1/4波片B1，得到椭圆偏振光。
5. 将椭圆偏振光通过1/2波片B2，观察出射光的偏振状态。
6. 重复以上步骤，改变偏振片P1和波片B1、B2的相对位置，观察出射光的偏振状态。
7. 根据马吕斯定律，计算并验证出射光的强度与入射光强度、入射光与偏振片的夹角之间的关系。
五、实验结果与分析1. 观察到当线偏振光通过1/4波片B1时，出射光变为圆偏振光；当圆偏振光通过1/2波片B2时，出射光变为线偏振光。
2. 观察到当线偏振光通过1/4波片B1时，出射光变为椭圆偏振光；当椭圆偏振光通过1/2波片B2时，出射光变为线偏振光。
3. 根据马吕斯定律，计算并验证出射光的强度与入射光强度、入射光与偏振片的夹角之间的关系。
实验六偏振光的观测与分析
实验六偏振光的观测与分析引言：偏振光是一种特殊的光，它的电场在振动方向上只有一个方向。
偏振光的观测与分析在光学实验中十分重要，可以用来研究光的传播和相互作用。
本实验旨在通过观察和分析偏振光的特性，探究光的偏振现象及其在光学中的应用。
实验过程：1. 准备工作：将实验所需仪器和材料准备齐全，包括偏振光源、偏振片、定标尺、平面镜、倾斜角度调节装置等。
2. 实验装置搭建：将偏振光源放置在实验台上，与一组偏振片相连，并通过倾斜角度调节装置将光线投射到平面镜上，再经过第二组偏振片最后观察。
3. 观察光强的变化：在第二组偏振片上，逐渐改变两组偏振片之间的角度差，仔细观察光线通过第二组偏振片后的光强变化情况。
4. 记录实验数据：将观察到的光强变化情况以及角度差记录下来，方便后续的数据分析。
5. 分析光的偏振状态：根据实验数据分析得到的光强变化规律，判断光的偏振状态。
比如，当两组偏振片之间的角度差为90°时，通过观察到的最大的光强变化可以判断光的振动方向。
6. 数据处理：将实验数据进行处理，并绘制出相应的图表，以更直观地表示光的偏振状态和规律。
7. 拓展实验：可以进一步观察不同类型的偏振片对光的偏振状态的影响，以及探究光的偏振与介质的相关性等。
实验原理：1. 光的电场矢量：光的电场在空间中的分布状态可以用电场矢量表示。
如果电场矢量在振动方向上只有一个方向，那么光就是偏振光。
2. 偏振片：偏振片是用来筛选偏振光的光学元件，它具有特殊的结构和材料，可以选择性地传递或者吸收特定方向的偏振光，将其他方向的光过滤掉。
3. 马吕斯定律：马吕斯定律描述了光通过两组偏振片的情况。
根据马吕斯定律，当两组偏振片的振动方向垂直时，透射光最弱；当两组偏振片的振动方向平行时，透射光最强。
4. 相位差和光强的关系：对于偏振光，相位差的变化会直接影响透射光的光强。
当两组偏振片的振动方向相差90°时，透射光的光强变化最为显著。
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偏振光的观测与研究
光的干涉与衍射实验证明了光的波动性质。
本实验将进一步说明光就是横波而不就是纵波,即其E与H的振动方向就是垂直于光的传播方向的。
光的偏振性证明了光就是横波,人们通过对光的偏振性质的研究,更深刻地认识了光的传播规律与光与物质的相互作用规律。
目前偏振光的应用已遍及于工农业、医学、国防等部门。
利用偏振光装置的各种精密仪器,已为科研、工程设计、生产技术的检验等,提供了极有价值的方法。
【实验目的】
1.观察光的偏振现象,加深偏振的基本概念。
2.了解偏振光的产生与检验方法。
3.观测布儒斯特角及测定玻璃折射率。
4.观测椭圆偏振光与圆偏振光。
【实验仪器】
光具座、激光器、偏振片、1/4波片、1/2波片、光电转换装置、光点检流计、观测布儒斯特角装置
图1 实验仪器实物图
【实验原理】
1.偏振光的基本概念
按照光的电磁理论,光波就就是电磁波,它的电矢量E与磁矢量H相互垂直。
两者均垂直于光的传播方向。
从视觉与感光材料的特性上瞧,引起视觉与化学反应的就是光的电矢量,通常用电矢量E代表光的振动方向,并将电矢量E与光的传播方向所构成的平面称为光振动面。
在传播过程中,光的振动方向始终在某一确定方位的光称为平面偏振光或线偏振光,如图2(a)。
光源发射的光就是由大量原子或分子辐射构成的。
由于热运动与辐射的随机性,大量原子或分子发射的光的振动面出现在各个方向的几率就是相同的。
一般说,在10－6s内各个方向电矢量的时间平均值相等,故出现如图2(b)所示的所谓自然光。
有些光的振动面在某个特定方向出现的几率大于其她方向,即在较长时间内电矢量在某一方向较强,这就就是如图2(c)所示的所谓部分偏振光。
还有一些光,其振动面的取向与电矢量的大小随时间作有规则的变化,其电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的移动轨迹呈椭圆(或圆形),这样的光称为椭圆偏振光(或圆偏振光),如图2(c)所示。
图2 光波按偏振的分类
2.获得偏振光的常用方法
(1)非金属镜面的反射。
通常自然光在两种媒质的界面上反射与折射时,反射光与折射光都将成为部分偏振光。
并且当入射角增大到某一特定值时,镜面反射光成为完全偏振光,其振动面垂直于入射面,如图3所示,这时入射角称为布儒斯特角,也称为起偏角。
由布儒斯特定律得:
其中、分别为两种介质的折射率, 为相对折射率。
如果自然光从空气入射到玻璃表面而反射时,对于各种不同材料的玻璃,已知其相对折射率n 的变化范围在1、50到1、77之间,则可得布儒斯特角约在560—600之间。
此方法可用来测定物质的折射率。
(2)多层玻璃片的折射。
当自然光以布儒斯特角入射到由多层平行玻璃片重叠在一起构成的玻璃片堆上时,由于在各个界面上的反射光都就是振动面垂直入射面的线偏振光,故经过多次反射后,透出来的透射光也就接近于振动方向平行于入射面的线偏振光。
(3)利用偏振片的二向色性起偏。
将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏。
某些有机化合物晶体具有二向色性,它往往吸收某一振动方向的入射光,而与此方向垂直振动的光则能透过,从而可获得线偏振光。
利用这类材料制成的偏振片可获得较大截面积的偏振光束,但由于吸收不完全,所得的偏振光只能达到一定的偏振度。
(4)利用晶体的双折射起偏。
自然光通过各向异性的晶体时将发生双折射现象,双折射产生的寻常光(o光)与非常光(e光)均为线偏振光。
o光光矢量的振动方向垂直于自己的主截面;e光光矢量的振动方向在自己的主截面内。
方解石就是典型的天然双折射晶体,常用它制成特殊的棱镜以产生线偏振光。
利用方解石制成的沃拉斯顿棱镜能产生振动面互相垂直的两束线偏振光;用方解石胶合成的尼科耳棱镜能给出一个有固定振动面的线偏振光。
3.偏振片、波片及其作用
(1)偏振片
偏振片就是利用某些有机化合物晶体的二向色性。
将其渗入透明塑料薄膜中,经定向拉制而成。
它能吸收某一方向振动的光,而透过与此垂直方向振动的光,由于在应用时起的作用不同,用来产生偏振光的偏振片叫做起偏器;用来检验偏振光的偏振片,叫做检偏器。
按照马吕斯定律,强度为I0的线偏振光通过检偏器后,透射光的强度为:
I = I0 cos2
式中为入射偏振光的偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角,显然当以光线传播方向为轴转动检偏器时,透射光强度I将发生周期性变化。
当= 时,透射光强最大;当=90 时,透射光强为极小值(消光状态),当< <90 时,透射光强介于最大与最小值之间,如图所示表示了自然光通过起偏器与检偏器的变化。
图4 光波的起偏核检偏
根据透射光强度变化的情况,可以区别线偏振光、自然光与部分偏振光。
(2)波片
波片就是用单轴晶体切成的表面平行于光轴的薄片。
当线偏振光垂直射到厚度为L,表面平行于自身光轴的单轴晶片时,会产生双折射现象,寻常光(O光)与非常光(e光)沿同一方向前进,但传播的速度不同。
这两种偏振光通过晶片后,它们的相位差为:
其中, 为入射偏振光在真空中的波长,n o与n e分别为晶片对o光与e光的折射率,L为晶片的厚度。
我们知道,两个互相垂直的、频率相同且有固定相位差的简谐振动,可用下列方程表示(如通过晶片后光与光的振动):
从两式中消去t,经三角运算后得到合振动的方程式为
由此式可知,
1当时, ,为线偏振光。
2当时, ,为正椭圆偏振光。
在= 时,为圆偏振光。
3当为其它值时,为椭圆偏振光。
在某一波长的线偏振光垂直入射到晶片的情况下,能使o光与e光产生相位差(相当于光程差为的奇数倍)的晶片,称为对应于该单色光的二分之一波片(1/2波片)或波片;与此相似,能使o光与e光产生相位差(相当于光程差为的奇数倍)的晶片,称为四分之一波片(1/4波片)或波片。
本实验中所用波片( )就是对( 激光)而言的。
如图5所示,当振幅为A的线偏振光垂直入射到1/4波片上,振动方向与波片光轴成角时,由于o光与e光的振幅分别为A 与A ,所以通过1/4波片合成的偏振状态也随角度的变化而不同。
图5
1当= 时,获得振动方向平行于光轴的线偏振光(e光)。
2当= /4时,获得振动方向垂直于光轴的线偏振光(o光)。
3当= /2时,Ae=Ao获得圆偏振光。
4当为其它值时,经过1/4波片后为椭圆偏振光。
所以,可以用1/4波片获得椭圆偏振光与圆偏振光。
【实验内容与步骤】
1.起偏与检偏鉴别自然光与偏振光,验证马吕斯定律。
(1) 在光源至光屏的光路上插入起偏器P1,旋转P1,观察光屏上光斑强度的变化情况。
(2) 在起偏器P1后面再插入检偏器P2。
固定P1的方位,旋转P2 ,旋转3600,观察光屏上光斑强度的变化情况。
有几个消光方位？
(3) 以硅光电池代替光屏接收P2出射的光束,旋转P2,记录相应的光电流值,共转900,在坐标纸上作出I~cos2θ关系曲线。
2.观测布儒斯特及测定玻璃折射率
(1) 在起偏器P1后,插入测布儒斯特角的装置,再在P1与装置之间插入一个带小孔的光屏。
调节玻璃平板,使反射的光束与入射光束重合。
记下初始角。
(2) 一面转动玻璃平板,一面同时转动起偏器P1,使其透过方向在入射面内。
反复调节直到反射光消失为止,此时记下玻璃平板的角度,重复测量三次,求平均值。
算出布儒斯特角。
(3) 把玻璃平板固定在平儒斯特角的位置上,去掉起偏器P1,在反射光束插入检偏器P2,转P2,观察反射光的偏振状态。
3.观察椭圆偏振光与圆偏振光
(1) 先使起偏器P1与检偏器P2的偏振轴垂直(即检偏器P2后的光屏上处于消光状态),在起偏器P1与检偏器P2之间插入1/4波片,转动波片使P2后的光屏上仍处于消光状态(此时= )。
(2) 从= 的位置开始,使检偏器P2转动,这时可以从屏上光强的变化瞧到经过1/4波片后的光为线偏振光。
(3) 取=900,使检偏器P2转动,这时也可以从屏上光强的变化瞧到经过1/4波片后的光为线偏
振光。
其振动面与= 时的振动面垂直。
(4) 取为除00与900外的其她值,观察转动P2时屏上光强的变化,其结果与椭圆偏振光对应。
特别就是当=450时,P2转动时屏上光强几乎不变,这便就是圆偏振光对应的状态。
【注意事项】
1、实验中各元件不能用手摸,实验完毕后按规定位置放置好。
2、不要让激光束直接照射或反射到人眼内。
【数据记录及处理】
表2玻璃折射率的测定与计算
【思考题】
1. 偏振光的获得方法有哪几种？
2. 通过起偏与检偏的观测,您应当怎样判别自然光与偏振光？
3. 什么就是马吕斯定律？本实验如何验证此定律？
4. 玻璃平板在布儒斯特角的位置上时,反射光束就是什么偏振光？它的振动就是在平行于入射面内还就是在垂直于入射面内？。