偏振光现象的观察和分析

偏振光现象的观察和分析引言：光的偏振现象有法国工程师马吕斯首先发现。对光偏振现象的研究清楚地显示了光的横波性，加深了人们对光传播规律的认识。近年来光的偏振特性在光调制器、光开关、光学计量、应力分析、光信息处理、光通信、激光、光电子器件中都有广泛应用。本实验利用偏振片和1/4波片观察光的偏振现象，并分析和研究各种偏振光。从而了解1/4波片和1/2波片的作用及应用，加深对光偏振性质的认识。实验原理1、偏振光的种类。光可按光适量的不同振动状态分为五类：（1）线偏振光（2）自然光（3）部分偏振光（4）园偏振光（5）椭圆偏振光使自然光变成偏振光的装置称为起偏器，用来检验偏振光的装置称为检偏器。2、线偏振光的产生。（1）反射和折射产生偏振自然光以𝑖𝐵=𝑎𝑟𝑐tan𝑛的入射角从空气入射至折射率为n的介质表面上时，反射光为线偏振光。以𝑖𝐵入射到一叠平行玻璃堆上的自然光，透射出来后也为线偏振光。（2）偏振片。利用某些晶体的二向色性可使通过他的自然光变成线偏振光。（3）双折射产生偏振。自然光入射到双折射晶体后，出射的o光和e光都为线偏振光。3、波晶片4、线偏振光通过各种波片后偏振态的改变。在光波的波面中取一直角坐标系，将电矢量E分解为两个分量𝐸𝑋和𝐸𝑦，他们频率相同都为ω，设𝐸𝑦相对𝐸𝑋的相位差为∆φ，即有𝐸𝑋=𝐴𝑥cos𝜔𝑡（2）𝐸𝑦=𝐴𝑦cos(𝜔𝑡+∆φ)（3）由（2）、（3）两式得，对于一般情况，两垂直振动的合成为：e轴O轴θ如图1所示，线偏振光垂直入射后，分解为o光与e光，由于他们在晶体中传播速度不同，产生固定相位差：δ=2𝜋𝜆（𝑛𝑒−𝑛𝑜）d(1)其中λ为入射光的波长；𝑛𝑒、𝑛𝑜分别为e光与o光折射率；d为晶片厚度。δ=（2k+1）𝜋2的波片称为1/4波片；同理，δ=（2k+1）π的波片称为1/2波片；δ=2kπ的波片称为全波片。光轴图1𝐸𝑥2𝐴𝑥2+𝐸𝑦2𝐴𝑦2−2𝐸𝑥2𝐸𝑦2𝐴𝑥2𝐴𝑦2cos∆φ=𝑠𝑖𝑛2∆φ（4）注意对于线偏振光通过波片的情况∆φ取决于o光和e光入射时的相位差和由波晶片引起的相位差δ之和；而𝐸𝑋为线偏振光振幅E在o轴的分量，𝐸𝑦为e轴的分量。从上面垂直振动合成的一般情况出发可以得出以下结论：（1）线偏振光的振动方向与波片的光轴夹角为θ或π/2，或者通过1/2波片仍为线偏振光。（2）线偏振光通过1/4波片后可能产生线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光，这取决于入射光振动方向和光轴夹角θ。5、偏振光的鉴别。线偏振光：转动检偏器会出现“消光”现象。自然光与圆偏振光：转动检偏器出射光强保持不变。但圆偏振光通过1/4波片转化为线偏振光，而自然光则不会，再加上检偏器即可鉴别自然光与圆偏振光。椭圆偏振光与部分偏振光：转动检偏器出射光强出现极大和极小值，但不会“消光”。用1/4波片可把托椭圆偏振光转化为线偏振光，而部分偏振光则不会，再加上检偏器即可鉴别自然光与圆偏振光。实验内容及装置1、打开实验装置，调节光电接收器的位置和角度，使激光正入射到光电接收器上。2、在光具座上放入起偏器和检偏器A，旋转检偏器A，当光功率计示数最小时记录此时的消光位置A0。3、在起偏器和检偏器中间放入1/4波片C1，转动波片C1,当光功率计示数最小时记录此时的消光位置C1(0)。4、转动1/4波片，每转动15°记录A旋转360°观察到的现象，直到1/4波片转到90°。5、取下C1，放上另一个1/4波片C2，同样记录C2的“消光”位置C2（0）。6、根据测得的两个1/4波片的“消光”位置，把两个1/4波片组合为1/2波片。若同时旋转两个1/4波片θ角度，出射的偏振光振动方向旋转2θ，则组合正确。若没有出现上述现象，则应把其中一个旋转90°后在组合。7、把组合好的1/2波片放在起偏器和检偏器中间，转动1/2波片，每转动15°记录A转到“消光”时的位置A’，A’-A0即为出射光振动方向转过的角度。8、在两块偏振片中放入一块透明三角尺，在其中一块偏振片后观察出射光的现象。9、观察玻璃和书的反射光在通过一块偏振片后的现象。装置：1、半导体激光器，发出激光波长为650nm，配有3V专用直流电源。2、两个直径为2cm的偏振片。（注意：转盘上的0读数位置不一定是偏振轴所指方向）3、两个直径为2cm的1/4波片。（注意：转盘上的0读数位置不一定是1/4波片得快轴或慢轴位置）4、带光电接收器的数字式光功率计。量程分为2mW和200μW挡。5、光具座。6、遮光罩。图为偏振光装置原理图实验结果1、起偏器位置固定后，偏振片A的“消光”位置A0=165°，本底光功率P0=1.3μw。放入1/4波片后，“消光”位置C1(0)=143°。2、1/4波片的作用。表1旋转1/4波片不同角度所观察的现象1/4波片转过角度A旋转360°观察到的现象光的偏振性质15°出现两次极大和极小Pmax=110.1μw,Pmin=7.4μw椭圆偏振光30°出现两次极大和极小Pmax=91.1μw,Pmin=23.5μw椭圆偏振光45°出现两次极大和极小Pmax=58.4μw,Pmin=52.9μw椭圆偏振光（接近圆偏振光）60°出现两次极大和极小Pmax=87.5μw,Pmin=29.6μw椭圆偏振光75°出现两次极大和极小Pmax=115.4μw,Pmin=9.3μw椭圆偏振光90°出现两次极大和极小Pmax=129.6μw,Pmin=1.2μw线偏振光3、1/2波片的作用。（1）另一个1/4波片“消光”位置C2(0)=251°。（2）组合好1/2波片后，转动A到消光位置，转动1/2波片，每旋转90°出现一次消光，旋转360°一共出现4次消光。（3）转动1/2波片任意角度，转动A可看到2次消光。（4）表2旋转1/2波片不同角度所得偏振光转过角度1/2波片转动角度θ消光时A所在的角度θ’线偏振光经1/2波片后振动方向转动角度15°193°28°半导体激光器30°224°59°45°255°90°60°285°120°75°316°151°90°345°180°5、用两块偏振片观察透明三角尺可看到彩色条纹，旋转后一个偏振片彩色条纹的颜色和位置发生变化。6、用偏振片观察玻璃和书的反射光时，旋转偏振片360°，光强出现两次极大和极小。分析与讨论1、在研究1/4波片作用的实验中，转动波片到消光位置时，此位置应为波片e轴或o轴的位置。转动波片θ角度，则对应的光轴和入射光的夹角为θ或𝜋2−θ。假设起初波片e轴和入射光振动方向相同，则夹角取θ。于是偏振光进入1/4波片后可分解为：o光𝐸𝑜=𝐸sin𝜃和e光𝐸𝑒=𝐸cos𝜃。波片会引起o光与e光𝜋2的相位差。因此，当θ=k2𝜋时出射光的光强不变仍为E，且振动方向沿着o轴或e轴。当θ=k2𝜋+𝜋4时𝐸𝑜=𝐸𝑒且他们的相位差δ=𝜋2，所以出射光应为圆偏振光。当θ取其他角度时，由（4）式可得，出射光为椭圆偏振光，且当检偏器与椭圆长轴相对时为光强极大的位置，检偏器与椭圆短轴相对时为光强极小的位置。旋转检偏器一周会出现两次极大和极小值。实验现象均与上述讨论相符合。而θ=𝜋4时，之所以光强没有恒定，仍然出现极大和极小值的原因，我认为可能是波晶片对于o光和e光的吸收程度不一样，即通过波晶片后𝐸𝑜=𝐸𝑜′，𝐸𝑒=𝐸𝑒′。虽然入射时𝐸𝑜=𝐸𝑒，但出射时𝐸𝑜′≠𝐸𝑒′。因此出射光的合成仍未椭圆偏振光，但是接近于圆偏振。2、在研究1/2波片作用的实验中，入射光通过波片后会引起o光与e光π的相位差。如图2所示：当入射光与光轴的夹角为θ时，同样它可分解为：o光𝐸𝑜=𝐸sin𝜃和e光𝐸𝑒=𝐸cos𝜃。出射的o光与e光相差π的相位时，合成的出射光与入射光相对于光轴对称。因此，当光轴旋转Θ角（实验中即1/2波片旋转θ角）时，出射光应相对于入射光旋转2θ。实验所得现象和上述分析一致。因此可知1/2波片主要可以改变线偏振光的振动方向或者是椭圆偏振光的长轴方向，而无法改变偏振的类型。3、实验中用两片偏振片观察到透明三角尺呈现彩色条纹，这是偏振光透过各向异性材料引起光的干涉的结果。由于光透过各向异性材料后，出射的e光和o光具有一定的相位差，因此在一定条件下可观察到由e光和o光相互干涉所形成的条纹。对于透明三角尺，它由塑料材料构成，在制造过程中，若经过很好的退火，是各向异性的。若退火不好，就会有些局部应力“凝固”在里边。内应力会产生一定程度的各向异性，从而产生双折射。即在有内应力的介质中，𝑛𝑒≠𝑛𝑜，它与应力的分布有关，因此不同位置因𝑛𝑒与𝑛𝑜的不同产生出有差别的干涉条纹。又因为自然光为连续光谱，所以产生彩色的条纹。因为干涉条纹与两个偏振片与材料的夹角有关系，因此旋转偏振片，干涉条纹的位置和颜色也将发生变化。同时由于应力愈集中的地方，各向异性愈强，所以在实验中观察到手捏住三角尺的地方条纹很密，即应力越大的地方条纹越密。4、用偏振片观察物体反射光时，旋转偏振片可看到物体的亮度有变化，亮度存在极大和极小值。这是由于入射光可分解为平行于入射面的P分量（振幅为Ep）和垂直于入射面的S分量（振幅为ES），他们在反射过程中的振动是相互独立的。而对于P分量和S分量各自的反射而言存在下述关系：𝐸𝑃′=tan(𝑖1−𝑖2)tan(𝑖1+𝑖2)𝐸𝑃（5）𝐸𝑆′=sin(𝑖1−𝑖2)sin(𝑖1+𝑖2)𝐸𝑆（6）可以看出P分量和S分量在反射过后振幅大小不再一样。因此，自然光经反射过后形成部分偏振光。因此可以观察到光强的极大和极小。由（5）式可得，对于特殊情况，当入射角𝑖1=𝑖𝐵=𝑎𝑟𝑐tan𝑛2𝑛1时，P分量的反射率为0，这是只有S分量。因此这时将得到线偏振光，同时将观察到反射光存在“消光”现象。思考题1、如何利用布儒斯特角的原理，确定一块偏振片的透光位置。取一块已知折射率n的材料，用自然光以𝑖𝐵=𝑎𝑟𝑐tan𝑛入射，用一个偏振片观察反射光，找到偏振位置，则旋转90°即为透光轴位置。eoθθ图22、什么叫波片的快轴和慢轴？与光轴有什么关系？在o光与e光在波片中传播速度不一样，他们分别对应o轴与e轴。传播速度快的光对应的轴称为快轴，传播速度慢的光对应的轴称为慢轴。一般波片中，光轴平行于e轴，光轴同e轴同为快轴或慢轴。3、在本实验中，是否需要确切知道波片的快轴和慢轴？不需要，因为实验是定性讨论，快轴和慢轴不影响实验结果。4、实验时为什么必须使入射光与波片平行？因为若入射光不平行，则o光与e光在波片中会发生折射，他们出射时会各自偏离不同角度，无法在出射时合成得到想要的偏振光。5、请指出用于偏振光实验的激光器在结构上有什么特点？有一块布氏窗以布儒斯特角放置，这样可使出射的激光为线偏振光。其余思考题结果均在实验过程和讨论中给出。实验结论1、1/4波片可使线偏振光转变为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光，这取决于入射光振动方向和光轴的夹角。2、1/2波片可改变线偏振光的振动方向或者是椭圆偏振光振动的长轴方向，但无法改变偏振光振动的类型。入射光与光轴夹角为θ时，经过1/2波片出射光与入射光夹角为2θ。3、用偏振片可观察到透明三角尺中的残存内应力。4、自然光的反射光线一般为部分偏振光，极少数以布儒斯特角入射的自然光的反射光为线偏振光。