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1、光的偏振物理与电子工程学院杨晓航2008025164光的偏振摘要：1. 光的偏振现象2. 实验3. 应用光的偏振现象在我们的日常生活中，光无处不在。如果没有光，我们就无法生存。我们已 经知道光是横波，就像绳波一样，若振动方向与狭缝的方向相同，波就可以无阻碍 的穿过；若振动方向与狭缝的方向垂直，波就会被挡住。光也存在类似的现象。下面我们做一组实验。在左侧，我们放一个灯泡，在灯泡右侧，我们放两块 偏振片Q , P,让光线依次穿过Q, P, Q固定不动，以光线为轴转动P,我们会发 现，随着P的取向不同，透射光的强度发生变化（如下图），当P处于某一位置时 透射光的强度最大，由此位置转过90。后，透射光
2、的强度减为0,即光线完全被P 阻挡，这种现象叫做消光。光的偏振现象并不是罕见的，自然界中除了光源直接照射过来的光是自然 光，其他的基本都不是自然光，只不过我们用肉眼很难鉴别罢了。比如我们用偏振 片去观察经玻璃或冰面反射的光，我们会发现，这束光的强度也会随着偏振片的转 动呈周期性的变化，所以反射光也是一种偏振光。偏振光的实验*实验背景介绍光的偏振是指光的振动方向不变，或电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.光的偏振最早是牛顿在17041706年间引入光学的；光的偏振这一术语是马吕斯在1809年首先提出的，并在实验室发现了光的偏振现象;麦克斯韦在18651873年间建立了光的电
3、磁理论,从本质上说明了光的偏振现象 .按电磁波理论,光是横波，它的振动方向和光的传播方向垂直.自然光是各方向的振 幅相同的光，对自然光而言，它的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内可取所 有可能的方向，没有一个方向占有优势.若把所有方向的光振动都分解到相互垂直 的两个方向上，则在这两个方向上的振动能量和振幅都相等.线偏振光是在垂直于 传播方向的平面内，光矢量只沿一个固定方向振动.起偏器是将非偏振光变成线偏 振光的器件；检偏器是用于鉴别光的偏振光状态的器件.*实验原理我们的先人在很早就已经对水平面的反射光有所研究，人们发现反射光中的 垂直于入射面的光振动多于平行于入射面的光振动；而透射光则正好相
4、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，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，该现象最 早在1815年为布儒斯特所发现，我们称之为布儒斯特定律。该方法是可以获得线 偏振光的方法之一；不过反射光由于强度较小，通常不被利用；透射光的光强较 大，但又不是完全线偏振光，实际采用的是利用玻璃堆的方法就成功的解决了该问 题，多次的透射基本上可以滤掉竖直分量，最后只剩下了平行分量。由于 iO + r = n / 2 , n1 sin i0 = n2 sin r, 则若nl为空气，则tg iO = n2，这風=-COSii0SLil；0样
5、，当介质折射率一定时，iO就唯一地被确定。常见的起偏或检偏的元件构成有两种：1. 光学棱镜。如尼科耳棱镜、格兰棱镜等，它是利用光学双折射的原理制成 常见的起偏或检偏的元件构成有两种：1. 光学棱镜。如尼科耳棱镜、格兰棱镜等，它是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.马吕斯定律：马吕斯在1809年发现，完全线偏振光通过检偏器后的光强可表 示为II = IO cos2a，其中的是检偏器的偏振方向和入射线偏振光的光矢量振动 方向的夹角本次实验中我们
6、用两块格兰棱镜充当起偏器和检偏器，通过硅光电池的响应 电流检测偏光强度的方法来验证马吕斯定律。波晶片：又称位相延迟片，是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，由于波 晶片内的速度vo ,ve不同，所以造成。光和e光通过波晶片的光程也不同当两 光束通过波晶片后o光的位相相对于e光多延迟了 A=2n(n0-nl)d/入，若满足 (ne-no)d二土入/4,即A=n/2我们称之为入/4片，若满足(ne-no)d二土入/2,即A二土 n，我们称之为入/2片，若满足(ne-no)d二土入，即A=2n我们称之为 全波片。*实验内容：1. 起偏，将激光投射到屏上，在激光束中插入一偏振片，使偏振片在垂直于 光束的
7、平面内转动，观察透过光强的变化，并据此判断激光束的偏振情况；2. 消光，在第一片偏振片和屏之间加入第二块偏振片，将第一块固定，转动 第二块偏振片，观察现象，能否找到一个消光位置，此时两偏振片的位置关系怎样.4. 利用布儒斯特定律测定待测玻璃的折射率；5. 验证马吕斯定律，绘制硅光电池的响应曲线.6测定样品对P-分量反射光的反射率随入射角变化的曲线.7.椭圆偏振光的实验中，在起偏器与检偏器中间置入入/4,入/2波片，转 动检偏器，从光电探头的电流变化中绘制出光强与角度的关系。*实验重点、难点：1. 理解偏振光的物理本质，学会几种偏振光的鉴别。2. 光路的准直调整和光电探头的电流溢出问题。偏振光在
8、生活上的应用1.偏振现象在摄影技术中的应用：在摄影技术中，为了在不同自然条件下拍到理想的或具有艺术效果的照片， 一般在照相机镜头前加不同的镜片。其中一种镜片是“偏光镜”。偏光镜的用途之 一是为了更清楚的拍摄水中的物体和鱼类等。如在公园清澈的水塘中游荡着漂亮的 金鱼，用相机拍照的最大问题是水表面反射的光线使人看不清水下的鱼。根据布儒 斯特定律，自然光经水面反射后是部分偏振光，而在布儒斯特角时是平面偏振光， 水的折射率为1.33，相应的布儒斯特角为i0=53。如右图所示，在相机的镜头前 加上偏光镜，摄影者在岸上将相机以5 3 左右（估计）对准水面，旋转镜头前的 偏光镜，使其偏振化方向与反射光的偏振
9、面垂直拍照（此时，在取景器中看到水中 的物体最清楚），则可大大减小反射光的影响，拍到清晰的金鱼照片。2电光效应：1Z團克尔效应1875年克尔（Kerr）发现了第一个电光效应。某些各向同性的透明介质在外 加电场作用下变为各向异性，表现出双折射现象，介质具有单轴晶体的特性，并且 光轴在电场的方向上，这一现象又称为克尔效应（Keer effec t）。某些液体的克 尔效应比较显著。克尔效应最大的特点是几乎没有延迟时间，它随着电场的产生与 消失很快地产生和消失，能追随非常快的交变外电场响应频率可达1010赫兹。如 上图所示，在两端平行透明的容器内装上两个平板电极，并装上克尔效应显著的液 体，则构成克尔
10、盒。一般首先使入射平面偏振光的偏振化方向与检偏器的偏振化方 向垂直，且与电场方向的夹角分别为45。在电极不加电压的情况下，透过检偏 器的光强为零，光开关处于关闭状态。随着电压的升高，通过克尔盒的 o 光和 e 光 的位相差在增大，它们合成光的偏振态随之变化，透过检偏器的光强也随之变化。当极板上的电压加到U0，刚好使o光和e光的位相差为p时，克尔盒相当于一个 l/2 波片，此时，透过克尔盒的光的偏振化方向与检偏器的偏振化方向一致，透过 检偏器的光强最大，光开关处于全开状态。使电压分别取0和U0时，则克尔盒可 用作电光开关。若在克尔盒的电极上加调制信号电压，则有与信号变化相应的光强 通过检偏器，此时克尔盒变成光调制器。由于克尔效应无时间延迟，它可作为高速 开关，如高速摄影、光速测量中的光切割器等。近年来则更多地用作脉冲激光器的 Q开关。参考书目：1.大学物理实验第二册，谢行恕 康世秀 霍剑青主编，高等教育出版社3. 光学教程姚启钧 高等教育出版社4. 光学赵凯华，北京大学出版社
