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1、实验 9 偏振现象的观测与分析光的偏振现象证实了光的横波性。在光与物质相互作用时,横波振动着的电矢量起主要作用,电矢量的各种振动状态使光具有各种偏振态:自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。偏振光的用途很广,在某些仪器上用偏振光如“椭圆偏振测厚仪” , “光弹仪” , “测玻璃的应力仪” , “地震预测仪”等。【实验目的】1.观察光的偏振现象,加深对偏振光的了解;2.掌握产生和检验偏振光的原理和方法。【实验仪器】手动偏振实验仪、激光源、发光二极管、光电转换接收器。【实验原理】偏振光的产生与鉴别光的偏振现象比光的干涉和衍射现象更为抽象,不借助于专门的器件和方法,人的眼睛和光学接收器
2、无法鉴别光的偏振特性。1.自然光转化为线偏振光的方法(1)吸收法:偏振片(起偏镜或检偏镜):常用的偏振片是由聚乙烯醇胶膜在碘溶液里浸泡,在高温下拉伸,在拉伸时这些链状分子被拉直,并平行排列在拉伸方向上,拉伸过的胶膜只允许振动取向平行的分子排列方向(此方向称偏振光的偏振轴)的光通过。(2)反射法:当自然光在两种媒质的界面上反射或折射时,入射角达到一定的特定值时,反射光为线偏振光,其振动面垂直于入射面,这种特点的角称布儒斯特角,布儒斯特定律满足 tg=n 2/n1。检验是否是线偏振光,可在其后加一检偏镜,检偏镜后放一白屏。光线通过检偏镜,旋转检偏镜在白屏上看到有明暗的变化的光场。(3)晶体起偏法:
3、利用某些晶体的双折射现象来获得偏振光。如尼科尔棱镜,格兰棱镜等。2. 线偏振光转化成椭圆偏振光或圆偏振光线偏振光垂直地入射到一块 1/4 波片上,当偏振光的振动方向与 1/4 波片的光轴的夹角不为 450 角时,得到椭圆偏振光。当偏振光的振动方向与 1/4 波片的光轴的夹角为 450 角时,即得到圆偏振光。3.光电转换输出显示系统按照偏振光的特性调好光路后,即可通过光电转换输出显示系统来记录光的特性了。当无光照射时,表头指示为零。若不为零,调节调零旋钮,使指针位于零处。当在光源和接收器之间加入偏振片时,接收器接收到的光的强度将会发生一定的变化。转动偏振片使输出最大,调节增益旋钮,使输出值在合适
4、的位置处(建议调至 7V-10V)。用光电器件测量偏振光时,应注意的一个问题是:很多光电器件都具有偏振敏感性,所以在测量偏振态不同的偏振光时,即使光功能相同,所输出的电信号随着偏振态的不同而不同。为保证测量精度,在光电器件的窗口处加一退偏器(即毛玻璃) ,将偏振光变为非偏振光,或者在光电器件前加一偏振器减偏。【实验内容和步骤】1.自然光转化为线偏振光如图 1 摆放仪器,光源为半导体激光器,光通过起偏镜后变成线偏振光,在其后加一个检偏镜,可检验是否是线偏振光,转动其中之一(即起偏或检偏)出射的光强发生明暗的变化。图 12.马吕斯定律的验证马吕斯定律:I=I 0cos2。I0:透过起偏器的光强,I
5、:透过检偏器的光强,:两偏振片透振方向的夹角。如图 2 摆放仪器,光源为半导体激光器。旋转检偏器,找到两偏振片的透振方向平行的位置(=0)开始记录光电转换的能量, (可以先找到消光处,再将检偏器旋转 90 度) 。不计检偏器的吸收时,此处的 I 即为 I0。旋转检偏器一周选取 11 个点,即 12 个角度,从表头上读取出其输出值记入表格。将测得的能量值与计算值比较,验证马吕斯定律。图 23.椭圆偏振光测量如图 3 摆放仪器,光源为半导体激光器。图 3首先,将起偏镜和检偏镜调成正交状态(即旋转起偏或检偏)在白屏上出现暗场,这是因为两个镜的偏振方向互相垂直(若平行白屏上的光场最亮) 。在两个偏振片
6、之间加 1/4 波片,光场发生变化,由最暗变成一些亮光,当旋转检偏镜时,在白屏光场上会出现有时亮,有时暗,这是因为椭圆偏振光长轴方向与短轴方向,光强度不同的结果。旋转检偏器一周,选取 12 个点,即 12 个角度,从表头上读取出其输出的能量值。角度 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360能量4.圆偏振光的测量光路如图 3,调节方法与调节椭圆偏振光相同,只是加入 1/4波片后,旋转 1/4 波片使光场(白屏)最暗,此时 1/4 波片的光轴方向与起偏镜的透振方向互相垂直,经玻片出射的是线偏振光。再在原来的角度(光场最暗)上加 45o。角度 0 30
7、 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330I 能量测量值I0cos2能量计算值 旋转检偏镜,此时在白屏上看到的光场强度不变,这种光是圆偏振光。旋转检偏器一周选取 12 个点,即 12 个角度,从表头上读取出其输出能量值。角度 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360能量5.布儒斯特角测量如图 4 摆放好光路,光源为发光二极管,用透镜聚焦。图 4首先调节普通玻璃一个角度,而后旋转起偏镜直至白屏上的光点最弱,此时,光线只剩下平行于入射面分量,再旋转光学测角台直至白屏上完全消光。在测角台上读取角度,该角度就是布儒斯特角。当光从空气向玻璃入射时 n=1.54 的玻璃板时,布儒斯特角为57o。注:波片和偏振片均用 SZ-06 手动 X 轴旋转架夹持,透镜使用 SZ-07 二维调整架夹持,半导体激光器使用用 SZ-19 光源调整架夹持,普通玻璃使用 SZ-30 光学测角台夹持。调整架可直接安放在滑块的不锈钢杆上,而后把滑块固定到导轨上便可进行实验。