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1、 100实验十六 偏振光学实验 光是一种电磁波，其电矢量的振动方向垂直于传播方向，是横波由于一般光源发光 机制的无序性，其光波的电矢量的分布（方向和大小）对传播方向来说是对称的，称为自 然光当由于某种原因，使光线的电矢量分布对其传播方向不再对称时，我们称这种光线 为偏振光对于偏振现象的研究在光学发展史中有很重要的地位，光的偏振使人们对光的 传播（反射、折射、吸收和散射）规律有了新的认识，并在光学计量、晶体性质研究和实 验应力分析等技术部门有广泛的应用 【实验目的】 1观察光的偏振现象，验证马吕斯定律； 2了解 1 / 2 波片、1 / 4 波片的作用； 3掌握椭圆偏振光、圆偏振光的产生与检测
2、【实验原理】 1光的偏振性 光是一种电磁波，由于电磁波对物质的作用主要是电场，故在光学中把电场强度 E 称 为光矢量在垂直于光波传播方向的平面内，光矢量可能有不同的振动方向，通常把光矢 量保持一定振动方向上的状态称为偏振态如果光在传播过程中，若光矢量保持在固定平 面上振动，这种振动状态称为平面振动态，此平面就称为振动面（见图） 此时光矢量在 垂直与传播方向平面上的投影为一条直线，故又称为线偏振态若光矢量绕着传播方向旋 转，其端点描绘的轨道为一个圆，这种偏振态称为圆偏振态如光矢量端点旋转的轨迹为 一椭圆，就成为椭圆偏振态（见图 2） 普通光源发出的光一般是自然光，自然光因其光振动方向和振幅具有轴
3、对称分布，故 不能直接显示出偏振现象但自然光可以看成是两个振幅相同，振动相互垂直的非相干平 面偏振光的叠加在自然界中，还存在一种介于自然光与平面偏振光之间，振幅不对称的 部分偏振光，它可以看作是由平面偏振光与自然光混合而成的其中的平面偏振光的振动 方向就是这个部分偏振光的振幅最大方向 2偏振片 （a）电矢量垂直于纸面的平面偏振光 （b）电矢量平行于纸面的平面偏振光图 1 平面偏振光 图 2 椭圆偏振光 101虽然普通光源发出自然光，但在自然界中存在着各种偏振光，目前广泛使用的产生偏 振光的器件是人造偏振片，它利用二向色性获得偏振光（有些各向同性介质，在某种作用 下会呈现各向异性，能强烈吸收入射
4、光矢量在某方向上的分量，而通过其垂直分量，从而 使入射的自然光变为偏振光，介质的这种性质称为二向色性 ） 自然光经过偏振片，能量 损失一半，而成为线偏振光 所谓起偏，即将自然光转变为偏振光，而检验某束光是否是偏振光，即所谓检偏用 以转变自然光为偏振光的物体叫起偏器；用以判断某束光是否是偏振光的物体叫做检偏 器图 3 表示的是自然光通过起偏器和检偏器后光强变化关系 3马吕斯定律 设两偏振片的透振方向之间的夹角为，透过起偏器的线偏振光振幅为A0，则透过检偏器的线偏振光的振幅为 A， cos0AA = 因为探测器检测到的是光强，光强为I = A2， 2 022 0coscosIAI= （1） 式中I
5、0为进入检偏器前（偏振片无吸收时）线偏振光的强度 （1）式是 1809 年马吕斯在实验中发现，所以称马吕斯定律显然，以光线传播方向 为轴，转动检偏器时，透射光强度I将发生周期变化 若入射光是部分偏振光或椭圆偏振光，则极小值不为 0若光强完全不变化，则入射 光是自然光或圆偏振光这样，根据透射光强度变化的情况，可将线偏振光和自然光和部 分偏振光区别开来 4椭圆偏振光、圆偏振光的产生；1/2 波片和 1/4 波片的作用 当线偏振光垂直射入一块表面平行于光轴的晶片时，若其振动面与晶片的光轴成角，该线偏振光将分为e光、o 光两部分，它们的传播方向一致，但振动方向平行于光轴的e 光与振动方向垂直于光轴的
6、o 光在晶体中传播速度不同，因而产生的光程差为 偏振光最亮最暗图 3 偏振片 102)(oennd= 位相差为 )(2oennd= （2） 式中 ne为e光的主折射率，no为o光的主折射率 （正晶体中， 0， 在负晶体中 0） d为晶体的厚度，如图 4 所示当光刚刚穿过晶体时，此两光的振动可分别表示如下： ()+=tAEtAEeyox coscos（3） 式中Ae= A0 cos，Ao= A0 sin， 是入射的线偏振光振幅在光轴上投影的两个正交分量 由（3）中的两式消去 t，得轨迹方程 2 2222 sincos2=+eoyxeyox AAEEAEAE（4） 这是个一般椭圆方程 当改变厚度d
7、时，光程差亦改变 （1） 当), 2 , 1 , 0( L=kk， 即 = 0时，由（4）式可得 x oe yEAAE = （5） 这是直线方程，故出射光为平面偏振光，与 原入射光振动方向相同，满足此条件之晶片 叫全波片光通过全波片不发生振动状态的 变化 （2） 当), 2 , 1 , 0( 2/) 12(LL=+=kk，即 = 时，由（4）式可得 x oe yEAAE= （6） 出射光也是平面偏振光，但与原入射光夹角为 2（以入射平面为基准） ，满足此条件的晶片叫 1/2 波片，或半波片，平面偏振光通过半波片后，振动面转过 2 角，若 = 45，则出射光的振动面与入射光的振动面垂直 （3）当
8、), 2 , 1 , 0( 4/) 12(LL=+=kk，即 = / 2 时，由（4）式可得 图 4 线偏振光通过晶片的情形 进入晶体前，Ae、Ao同大同小，所以 A 是线偏振在晶体中，Ae、Ao变得不一致起来，走出晶体后，有可能合成位为椭圆变化 10312222 =eyox AEAE（7） 出射光为椭圆偏振光，椭圆的两轴分别与晶体的主截面平行及垂直，满足此条件的晶片叫 1/4 波片1/4 波片是作偏振光实验重要的常用元件 若oeAA =，于是22 y2AEEx=+，出射光为圆偏振光 由于 o 光和e光的振幅是 的函数， 所以通过 1/4 波片后的合成偏振状态也将随角度变化而不同 当 = 0时
9、，出射光为振动方向平行 1/4 波片光轴的平面偏振光 当 = / 2 时，出射光为振动方向垂直于光轴的平面偏振光 当 = / 4 时，出射光为圆偏振光 当 为其它值时，出射光为椭圆偏振光 【实验仪器】 红色 LED、恒流源、硅光电池、光电流计、偏振片（2 片） 、1/2 波片、1/4 波片、导轨 和光具座 【实验内容】 1验证马吕斯定律 （1）实验装置见图 5； （2）转动检偏器（360） ，用白屏观察出射光光强的变化； （3）将检偏器设定至 90，仔细调节起偏器至光电流计接收到的电流值最小，此时两偏 振片呈正交状态，记录此时的光电流值； （4）改变两偏振片间夹角，测量相对应光的电流值测量范围
10、：0-180；测量间隔：6 （5）作Icos2的关系曲线，验证马吕斯定律 2线偏振光通过 1/2 波片时的现象和 1/2 波片的作用 （1）测量光路见图 5调节检偏器使两偏振片呈正交状态，在两偏振片间放入 1/2 波片； （2）转动 1/2 波片，观察出射光的光强变化仔细调节波片至再次消光（即出射光最小） ， 设定该位置为波片的初始角 图 5 实验光路 104（3） 将 1/2 波片从初始位置转过 10， 此时消光状态被破坏 然后调节检偏器至再次消光， 记录检偏器所转过的角度依次类推，测量每将转动 1/2 波片 10，记下达到消光时检偏 器转过的角度 数据记录表格如下： 1/2 波片转过角度
11、初始 1020 80 90检偏器转过角度 观察：若检偏片固定，将 1/2 波片转过 360，能观察到几次消光？若 1/2 波片固定， 将检偏片转过 360，能观察几次消光？由此分析线偏振光通过 1/2 波片后，光的偏振状态 是怎样的？ 3用 1/4 波片产生圆偏振光和椭圆偏振光 （1）测量光路见图 5使两偏振片呈消光状态，在两偏振片间放入 1/4 波片； （2）仔细调节波片至再次消光（即出射光最小） ，设定该位置为波片的初始角转动 1/4 波片，观察出射光的光强变化； （3）波片在初始角状态时，测量检偏器不同角度时的出射光强； 测量范围：0-360；测量间隔：10 （4）将波片转过 20、45
12、，重复（3） ； （5）将将波片转过 70，调节检偏器至出射光光电流极大，记录检偏器角度； （6）用 ORIGIN 软件的极坐标系作检偏器角度 A的关系图及标出 70时光电流极大值的位置，并与 20比较； （极坐标在菜单：PLOT polar） 注意：振幅A与光强的关系，接收器只能指示光强 （7）将 45时的实验结果与圆偏振光比较 【预习题】 1什么叫线偏振光？产生线偏振光的方法？ 2什么叫 1/2 波片？它的作用如何？ 3什么叫 1/4 波片？如何用 1/4 波片产生和检验圆偏振光和椭圆偏振光？ 【思考题】 1求下列情况下理想起偏器和理想检偏器两个光轴之间的夹角为多少？ （1）透射光是入射自然光强的 1/3 （2）透射光是最大透射光强度的 1/3 2 如果在互相正交的偏振片P1和P2中间插进一块 1/4 波片， 使其光轴跟起偏器P1的光轴 平行，那么透过检偏器P2的光斑是亮的？还是暗的？为什么？将P2转动 90后，光斑的 亮暗是否变化？为什么？ 3在第 2 题中用 1/2 波片代替 1/4 波片，情况如何？
