偏振现象的观察与研究

实验题目偏振现象的观察与研究【实验目的】1、观察光的偏振现象,加深对理论知识的研究.2、了解产生和检验偏振光的原理和方法,以及所使用的元件.【实验仪器】1、光学平台2、SZ-42氦氖激光器一个3、SZ-06偏振片两个4、14波片一个5、ST-80C照度计一架【实验原理】1、偏振光的基本概念光和物质的相互作用过程中主要是电磁波中的电矢量起作用,所以人们通常以电矢量作为光波中振动矢量的代表.光的横波性只表明电矢量与光的传播方向垂直,但在与传播方向垂直的二维空间里电矢量还可能有各种各样的振动状态,此即为光的偏振.光的偏振有5种可能的状态:自然光、部分偏振光、平面偏振光(线偏振光)、圆偏振光以及椭圆偏振光.振动在垂直于光的传播方向的平面内可取所有可能的方向,且没有一个方向占据优势的光称为自然光,这种光不能直接显示出偏振现象,通常人们又称它为非偏振光;而在某一方向振动占据优势的光称为部分偏振光;只在某一固定方向振动的光称为线偏振光或平面偏振光;光波电矢量方向和大小随时间作有规则的改变,当电矢量末端在垂直于传播方向的平面上轨迹呈圆形时,称为圆偏振光;呈椭圆形时,称为椭圆偏振光.圆偏振光和椭圆偏振光都可以看作是两个振动面相互垂直的、有一定相位差的线偏振光的叠加.2、线偏振光的产生产生线偏振光的方法有很多,例如利用偏振片、罗雄、沃拉斯顿棱镜等,下面主要介绍产生线偏的两种其中方法:i、非金属表面反射和折射产生线偏振光,ii偏振片产生线偏振光.i、非金属表面反射和折射产生线偏振光当平行光从一种介质的一侧入射到另一介质时,其会在界面上发生反射与折射.菲涅耳反射折射公式给出了反射、折射光与入射光中电矢量各分量的比例关系:'211212111211212coscostan()coscostan()pppniniiiEEEniniii,112121122coscoscosppniEEnini,'112221111112221coscossin()coscossin()sssniniiiEEEniniii,11122111122212cos2cossincoscossin()sssniiiEEEniniii,(式中,''11,1122,pspsps、、、分别代表了入射、反射与折射光)将上述菲涅耳反射折射公式代入振幅反射率以及透射率的定义式中,即可得到211212211212112221112221coscostan()coscostan()coscossin()coscossin()psniniiirniniiininiiirniniii1121121111222coscoscos2coscoscospsnitnininitnini如上即可看出,当光线斜射入非金属表面时,反射光和透射光都会产生偏振现象,通常都为部分偏振光.且反射光垂直于入射面的电矢量分量较强,透射光平行于入射面的电矢量分量较强.为了得到一个较为清晰的印象,如下,给出了光从光密射向光疏以及光从光疏射向光密时,不同入射角的强度反射率图线.由右图可以看出,存在那么一个角度,当入射角于此时,p分量的反射率减小为零,此时21tan()ii,代入折射定律,可得21arctanBnin我们称Bi为布儒斯特角,此时,反射光为完全的线偏振光.虽然反射光是线偏振光,不过反射光改变了光的传播方向,利用起来很不方便.而以布儒斯特角入射时,折射光的偏振度也同时达到最高(从空气到玻璃偏振度P=8%)故通常更多地使用透射光.利用多层玻璃组合成的玻璃锥,可以得到很好的透射线偏振光,且振动的方向平行于入射面.ii偏振片产生线偏振光.有些晶体(如电气石、人造偏振片)对两个相互垂直振动的电矢量有不同的吸收本领,这种选择吸收性称为二向色性.当自然光通过二向色性晶体时,其中一成分的振动几乎完全被吸收,而另一成分的振动几乎没有损失,因而可由此产生线偏振光.如图所示.利用这种材料可制成偏振片.偏振片的特点是允许透过某一电矢量振动方向的光.我们把偏振片上能透过电矢量振动的方向称为它的偏振化方向或透振方向.利用偏振片可以获得截面较宽的偏振光束,而且造价低廉,使用方便,是常用的起偏器.同时,偏振片也可以作为检偏器使用.3、马吕斯定律强度为0I的线偏振光通过检偏器后的光强I为20cosII,式中,为线偏振光的振动面与检偏器的透振方向之间的夹角,此即为马吕斯定律.它表示线偏振光通过检偏器后透射光的强度随角的变化规律.当0时0II,光强最大;当2时,0I,出现消光现象;当为其他值时，透射光强介于0与0I之间.4、双折射让一束平行的自然光正入射在双折射晶体(单轴)的一个表面上,大多数情况我们会发现光分解成了两束(如图,注意方向和速度大小均出现了偏离).按照光的折射定律,正入射时光线不应偏折,故,有一束光明显违背了普通的折射定律.我们把没有偏折的那束光线称为寻常光,简称o光;将另一束折射光称为非寻常光,简称e光.此即为双折射现象.但是,在双折射晶体中存在着一个特殊的方向,光线沿着这个方向传播时o光和e光不分开(即它们的传播速度和传播方向都一样),我们把这个方向称为晶体的光轴.而,当入射光垂直于光轴入射时,o光和e光虽仍然发射了双折射,但是o光和e光在晶体中的传播速度却不相同,由此,当光线从双折射晶体中射出时,两束光线即产生了一定的相位差.从双折射晶体中切下的表面与光轴平行的薄片称为波晶片,假设波晶片对于o光和e光的折射率分别为on与en,则,同一时刻两束光在出射界面上的相位比入射界面落后2oond(o光),2eend(e光),这样,当两束光通过波晶片后,产生了相位的差值2()oeoennd,除了与折射率之差()oenn成正比外,还与波晶片的厚度d成正比.适当地选择厚度d,可以使两束光之间产生任意数值的相对相位延迟.在实际中最常用的是14波片,其厚度d满足关系式()4oennd,于是2()2oeoennd;其次是12波片和全波片,它们的厚度分别满足()2oennd和,即2()oennd和2.5、圆偏振光和椭圆偏振光的产生前已提到,圆偏振光和椭圆偏振光可以看作是相互垂直并且有一定相位关系的两个线偏振光的合成.而从波晶片中透射出来的两束光线正为振动方向相互垂直的两束线偏振光.获得一般的椭圆偏振光并不难,只需令自然光通过一个起偏器和一个波晶片.如图所示.由起偏器出射的线偏振光射入波晶片后被分解成oE和eE两个振动,它们在晶体内的传播速度不同,穿过晶片时产生一定的附加相位差.射出镜片后,两束光的速度恢复到一样,合成在一起一般得到的就是椭圆偏振光.而当此线偏振光经过一14波片时,当线偏的振动方向与晶片光轴的夹角4时,出射光为圆偏振光;当0或2时,出射光为振动方向平行于14波片波片光轴的线偏振光.6、偏振光的检验根据偏振光、偏振片以及14波片的性质,我们即可检验入射光的偏振态,步骤如下.1、令入射光通过偏振片I,改变偏振片I的透振方向,并观察透过光强的变化.若出现消光,则为线偏振光;若强度无变化,则为自然光或圆偏振光;若强度有变化,但无消光,则为部分偏振光或椭圆偏振光.2、若为自然光或圆偏振光,则,再另入射光依此通过14波片和偏振片II,改变偏振片II的透振方向,观察透过光强的变化.若有消光,则为圆偏振光;若无消光,则为自然光.3、若为部分偏振光或椭圆偏振光,同样再令入射光依此通过14波片和偏振片II,只是14波片得光轴方向必须与第一步中偏振片I产生强度极大或极小的透振方向重合.若有消光,则为椭圆偏振光;若无消光,则为部分偏振光.【实验步骤】1、验证马吕斯定律①打开氦氖激光器,并预热半个小时以上.②将两个偏振片分前后一定距离放置在光学平台上,分别作为起偏器1N与检偏器2N,如图.并打开照度计,将照度计的光度探头安装在检偏器后的专用支架上.③调节光具组的等高共轴.调节激光器方向,使得激光的传播方向与光学平台方向平行;将偏振片1N、2N以及光度探头相互靠近,通过目测及测量,调节使得三者大致在同一高度,后微微调节三者角度,并固定使得激光垂直穿过偏振片1N、2N并且大致打在光度探头的中央.④调节检偏器2N的角度,使其正好在0刻度处,后调节起偏器1N,使得1N、2N的透振方向相垂直,即探头上出现消光现象.⑤记录此时照度计示数.转动检偏器2N的角度,以10为一个单位,每转动一次,记录一次照度计示数,直至转完90.⑥通过数据验证马吕斯定律.2、圆偏和椭圆偏振光的产生①在实验1的基础上,先调节1N、2N使其消光,后在两偏振片1N和2N之间加入一块14波片,并调节等高共轴.②调节14波片的角度,使得此时光度探头上再次消光,并记录此时14波片的角度位置为0位置处.③转动检偏器2N一周,观察并记录此状况下光度探头上透射光强的变化,并记录整个过程中光强的最大值maxI与最小值minI.④分别将14波片旋转30、45、60、90,并重复步骤③,记录数据.⑤通过数据分析透过光强的变化规律及变化原因.3、实验结束,收拾仪器【数据处理】1、验证马吕斯定律实验数据如下表验证马吕斯定律实验数据表格/0102030405060708090/Ilx733712628533432302179.583.018.40.52cos10.96980.83300.75000.58680.41320.25000.11700.03020①首先,以0时光强733Ilx作为标准值,作出2cosI的关系表格以及图线如下2cosI理想关系表/Ilx733710.9647.3549.8430.1302.8183.285.722.12.75E-302cos10.96980.83300.75000.58680.41320.25000.11700.030202cosI理想关系图线由上可得I与2cos的关系为213(733cos310)Ilx(尾项13310为无限小数数据取了5位有效数字所产生的误差项),为理想的马吕斯关系.②利用实测数据绘出2cosI的实测关系曲线如下实测2cosI关系曲线由上可得实测I与2cos的关系为2(727.67cos1.6944)Ilx,20.9994R.2、圆偏和椭圆偏振光的产生14波片转角2N转一周,透射光强是否变化?如何变化?max/Ilxmin/Ilx0由消光最亮消光最亮消光6770.430由亮最暗最亮最暗最亮亮,无消光321131.445光强基本不变26528860由亮最暗最亮最暗最亮亮,无消光344142.890由消光最亮消光最亮消光6920.9【实验结论】1、对比马吕斯公式的理想2cosI关系,213(733cos310)Ilx以及实测2cosI关系，2(727.67cos1.6944)Ilx两者十分相近,考虑实验存在误差,由此即可验证马吕斯定律的正确性.2、当一束线偏振光通过一个14波片后,透过光可看作是两束振动方向相垂直,并且存在一定相位差(包括14波片带来的相位差1以及由于入射偏振角度不同所带来的相位差2)的两束线偏振光的叠加.根据实验结果,以及原理部分中关于偏振的产生及检验部分,可以知道:①当14波片的转角为0或90时,从波晶片后透射出的光为线偏振光,转动2N透射光出现了消光现象.②当14波片的转角为30或60时,从波晶片后透射出的光为椭圆偏振光,转动2N透射光不消光,但出现了明显的强度改变.③当14波片的转角为45时,从波晶片后透射出的光为圆偏振光,转动2N后,透射光的光强基本不变.误差分析①照度计的探头十分灵敏,周围微弱的光照都会令照度计产生示数,这也是实验在消光时,照度计仍然存在示数的原因.②当14波片的读数盘上没有明确的刻度指针,加上转轮极厚,与刻度处有一定的距离差,导致读数误差非常大.【注意事项】1