实验十五-光偏振现象的观察和检验

实验十五光偏振现象的观察和检验一、实验目的1.观察光的偏振现象，了解偏振光的种类；2.掌握偏振光的产生及检验方法；3.了解波片的作用。二、实验器材氦氖激光光源（1个），1/2波片（1片），1/4波片（1片），偏振片（2片），底座（4个），光电转换器（1个）。三、实验原理（一）偏振光的种类光是电磁波，光的偏振现象表明光是一种横波，即电磁振动方向与光的传播方向垂直。光作为电磁波，光波中含有电振动矢量和磁振动矢量，就光与物质的相互作用而言，起主要作用的是电矢量，通常称电矢量为光矢量。并将光矢量和光的传播方向所构成的平面称为光的振动面。根据光矢量的振动状态，可以把光分为五种偏振态，结合图15-1认识下面几种偏振态的概念：1.自然光：如果在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量的振动方向是无规则地变化着的，且发生在各个方向的概率均等，即各个方向的平均振幅相等,称此种光为自然光。2.部分偏振光：如果某些方向光矢量的平均振幅较大，某些方向光矢量的平均振幅较小，则称为部分偏振光。3.线偏振光：如果光矢量沿着一个固定方向振动，则称此种光为线偏振光或称平面偏振光。4.椭圆偏振光：光矢量的大小和方向都作规则的变化，在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量的矢端运动轨迹是椭圆，称此种光为椭圆偏振光。5.圆偏振光：当椭圆偏振光中光矢量的大小不变，只是方向作规则的变化，光矢量的矢端运动轨迹是圆，称此种光为圆偏振光。（二）线偏振光的产生1.用偏振片来获取线偏振光偏振片是一种具有二向色性的晶体，所谓二向色性是指该晶体对两个相互垂直振动的光矢量具有不同的吸收本领。当自然光通过二向色性晶体时，其中一方向的振动几乎完全被吸收，则透射出来的光为线偏振光。2.反射和折射产生偏振光根据布儒斯特定律，当自然光以=arctann的入射角入射到折射率为n的玻璃表面上时，其反射光为完全的线偏振光，振动面垂直于入射面，称为布儒斯特角。此时透射光为部分偏振光，如果自然光以角入射到一叠平行玻璃片堆上，则经过多次反射和折射，最后从玻璃片堆透射出来的光也接近于线偏振光。（三）波片、椭圆偏振光和圆偏振光如图15-2所示，从单轴双折射晶体上平行于光轴方向切下的薄片为波片。当一振幅为A的单色偏振光垂直入射到波片时，若光的振动面与波片光轴的夹角为角，则当其进入波片后分解为振动面相互垂直的O光和e光,其振幅分别为：，开始时，这两束光无光程差也无相位差，但由于它们在晶体内传播的速度不相同，即O光和光的折射率(和)不同，因此穿过厚度为d的波片后就产生了光程差与这一光程差相对应的振动相位差为，式中为入射光在真空中的波长。经过波片后光矢量振动方程为：，根据图15-2中取光线的方向为X轴方向，光轴为Z轴方向，波片后表面为OYZ表面，则，两振动在OYZ面内的合振动满足方程：（15-1）对于某种单色光，通过控制波片的厚度d，能使光和O光产生不同的光程差。能使光和O光产生1/2波长光程差的波片称为1/2波片；能使光和O光产生1/4波长光程差的波片称为1/4波片；1.1/2波片的作用1/2波片可以使光和O光产生1/2波长光程差，即，，此时经1/2波片透射出来的光振动方程（15-1）转换为：可见，当线偏振光光矢以与波片光轴的夹角为的方向入射到1/2波片，在其后面出射的光仍然是线偏振光，其光矢转过了2角。2.1/4波片的作用1/4片可以使光和O光产生1/4长光程差，即，，此时合振动方程（15-1）转换为：(15-3)该方程为椭圆方程，表明线偏振光经过1/4波片后一般情况下为椭圆偏振光。但根据角的不同又分为三种情况：（1）或显然，此时光经过1/4波片后仍为线偏振光。（2）或式15-8可以写成此时光经过1/4波片后为圆偏振光。（3）当线偏振光经过1/4波片后，出射光为椭圆偏振光。四、实验内容与步骤（一）线偏振光的产生与检验1.打开激光源，在光源前面安装偏振片A（起偏器），调节光源及偏振片高度，让光源通过偏振片后照射到光电接收器的中心，微安表出现示数。2.转动偏振片，透射出来的光强出现强弱的变化，这是因为激光源发出的是部分偏振光，因此需要转动偏振片至光强最强，即使微安表达最大读数。3.在偏振片前再安装另外一个偏振片B(检偏器），转动检偏器一周观察电流的变化，把检偏器调节至电流为零的位置即消光位，记下检偏器上指针所指的位置B0。（二）观察线偏振光通过1/2波片后的偏振态4.在起偏器和检偏器之间装上1/2波片C（相对位置如图15-4）,转动波片使三者消光，即微安表电流为零，记下波片上指针所指的位置C0。5.转动1/2波片，并依次转过15°、30°、45°、60°、90°，对应转动检偏器达到消光，分别记下检偏器对应转过的角度，把结果记入表15-1中。6.据实验结果总结检偏器转过角度与起偏器转过角度之间的关系，说明1/2波片的作用。（三）观察线偏振光通过1/4波片后的偏振态7.取下1/2波片，再次转动检偏器达到消光位置，并记下检偏器指针位置。8.在起偏器和检偏器之间装上1/4波片，同样转动波片使三者消光微安表指零，记下波片上指针所指的位置。9.把1/4波片转过任意角度，完整转动检偏器一周观察电流变化情况，注意是否有消光位置，然后把1/4波片转回到步骤8中记下的位置。10.以为起点，把1/4波片转过30°，转动检偏器一周，每隔45°记录一次微安表的读数，并在表15-2中记录结果。11.仍相对于位置，依次把1/4波片转过45°、60°、90°，用步骤10中相同的方法在表15-2中分别记录检偏器转动一周微安表的读数。12.根据实验数据，总结1/4波片转过不同角度时，经过波片透射出来的偏振光类型，填入表15-2中。五、数据记录表15-11/2波片以C0为起始位置依次转过角度检偏器以B0为起点相应转过的角度观察结果：表15-2：1/4波片：检偏器B相对转过以下角度所对应的光强（光电转换量）光的偏振相对转过的角度类型六、思考题1.在起偏器和检偏器透振方向正交的情况下，在光路中加入1/4波片C，旋转1/4波片C，使C处于消光位置，这一操作说明了什么？2.自然光和圆偏振光的相同之处是什么？不相同之处又是什么？能否用偏振片作检偏器把两者区分开来？