一 偏振光的产生和检验

实验十一 偏振光的产生和检验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。一、实验目的1、观察光的偏振现象，加深对光波传播规律的认识。2、掌握产生和检验偏振光的原理和方法。二、实验原理1、偏振光的概念光的波动的形式在空间传播属于电磁波，它的电矢量E与磁矢量H相互垂 直。E和H均垂直于光的传播方向，故光波是横波。实验证明光效应主要由电场引起，所以电矢量E的方向定为光的振动方向。自然光源(如日光，各种照明灯等)发射的光是由构成这个光源的大量分子 或原子发出的光波的合成。这些分子或原子的热运动和辐射是随机的，它们所发 射的光振动，出现在各个方向的几率相等，这样的光叫做自然光。自然光经过媒质的反射、折射或者吸收后，在某一方向上振动比另外方向上 强，这种光称为部分偏振光。如果光振动始终被限制在某一确定的平面内，则称 为平面偏振光，也称为线偏振光或完全偏振光。偏振光电矢量 E 的端点在垂直 于传播方向的平面内运动轨迹是一圆周的，称为圆偏振光，是一椭圆的则称为椭 圆偏振光。2、获得线偏振光的方法 自然光变成偏振光称作起偏，可以起偏的器件分为透射和反射 2 种形式。(1) 反透射式起偏器自然光在两种媒质的界面处反射和折射，当入射角%满足tan “ b二ni/ n2时， 反射光成为振动 方向垂直于入射面的线偏振光，这个规律称布儒斯特定律，匕称为布儒斯特角或起偏角，而折射光为部分偏振光。如果自然光以入射角“b投射在多层的玻璃堆上，经过多次反射后，透射出的 光也接近于线偏振光，其振动面平行于入射面。(2)透射式起偏器晶体起偏器：利用某些晶体的双折射现象可以获得较高质量的线偏振光，如 尼科尔棱镜，这类偏光器件价格昂贵。偏振片：一般用具有网状分子结构的高分子化合物聚乙烯醇薄膜作为片 基，将这种薄膜浸染具有强烈二向色性的碘，经过硼酸水溶液的还原稳定后，再 将其单向拉伸45倍以上而制成。这种偏振片称H偏振片。此外用另外方法还 可制成K偏振片、L偏振片。3、马吕斯定律自然光通过偏振片变成光强为10，振幅为A的线偏振光，再垂直入射到另 一块偏振片上，出射光强为：I = I C0S200这就是马吕斯定律。0为两偏振片透振方向之间的夹角。4、波片的偏光作用单轴晶体制成厚度为L，表面平行于光轴的片，称波片。波片有正晶体或负 晶体之分。一束振幅为A的线偏振光垂直入射在波片表面上，且振动方向与光轴夹角 为0，在晶体内分解成o光和e光，振幅分别是Ao二ASin0，Ae二AC0S0。经过 波片后，二光产生位相差：A 二 2兀(n - n )L / 九o e0式中，-为光在真空中的波长；no、ne为晶片对0光和e光的折射率。因为波片能使o光或e光的位相推迟，又称为位相推迟器。o光和e光振动方向相互垂直，频率相同，位相差恒定，由振动合成可得：上支十厶一COE2sin2A 町 24 A这是椭圆方程式，代表椭圆偏振光。当A = 2kn（公=1,2,3.）及A。二Ae时，合成振动为圆偏振光。三、主要仪器及耗材1：白光源（GY-6A）2：凸透镜（f=150mn）3： 二维调节架（SZ-07）4：可调狭缝（SZ-27）5：光学测角台（SZ-47）6：升降调节座（SZ-03）7：黑玻璃镜四、实验内容和步骤8：偏振片9： X轴旋转二维架（SZ-06）10：升降调节座（SZ-03）11：升降调节座（SZ-03）12：二维平移底座（SZ-02）另需钠灯、氦图11-1实验装置氖激光器、1/4波片及架、冰洲石及转动 架和扩束器(a)图 11-2 实验示意图1、测布儒斯特角，定偏振片光轴：按图11-1所示，使白光源灯丝位于透镜 的焦平面上（此时二底座相距162mm）,近似平行光束通过狭缝，向光学台分度 盘中心的黑玻璃镜入射，并在台面上显出指向圆心的光迹。此时转动分度盘，对 任意入射角,利用偏振片和X轴旋转二维架组成的检偏器检验反射光，转动360 0， 观察部分偏振光的强度变化。而当光束以布儒斯特角 iB 入射时，反射的线偏振 光可被检偏器消除（对n =1.51, 0沁570 ）。该入射角需反复仔细校准。因线偏振 0 光的振动面垂直于入射面，按检偏器消光方位可以定出偏振片的易透射轴。2、线偏振光分析：使钠光通过偏振片起偏振，用装在X轴旋转二维架上（对 准指标线）的偏振片在转动中检偏振，分析透过光强变化与角度的关系。3、椭圆偏振光分析：使激光束通过扩束器、狭缝和黑镜产生线偏振光，再 通过1/4波片之后，用装在X轴旋转二维架上的偏振片在旋转中观察透射光强变 化，是否有两明两暗位置（注意与上一项实验现象有何不同），在暗位置，检偏 器的透振方向即椭圆的短轴方向。4、圆偏振光分析：在透振轴正交的二偏振片之间加入 1/4 波片，旋转至透 射光强恢复为零处，从该位置再转动 45，即可产生圆偏振光。此时若用检偏器 转动检查，透射光强是不变的。 3和4应使用白屏观察。5、利用冰洲石及可转动支架，可以观察和分析该晶体的双折射现象。让自 然光（例如钠光）通过支架上的一个小孔入射冰洲石晶体，用眼睛在适当距离能 够看到光束一分为二；转动支架，又能判别寻常光（o光）和非寻常光（e光）。 进而用检偏器确定 o 光和 e 光偏振方向的关系。五、数据处理与分析1、分析实验结果，讨论误差形成原因；2、自拟表格记录实验数据。六、实验注意事项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。七、思考题1、描述波片的主要参数是什么?如何区分偏振片和波片?无其它元件，如何 大致判断偏 振片的透振方向？2、实验时，各元件应如何正确放置？为什么？3、偏振光的获得方法有哪几种？4、波片的厚度与光源的波长什么关系？5、通过起偏和检偏的观测，你应当怎样判别自然光和偏振光？6、什么是马吕斯定律？本实验如何验证此定律？7、如何区别部分偏振光和椭圆偏振光？