大学物理实验-光的偏振教案资料.pdf
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1、资料收集于网络,如有侵权请联系网站删除word 可编辑实验 27 光的偏振一、实验目的1、观察光的偏振现象,加深对光的偏振的理解。2、了解偏振光的产生及其检验方法。3、观测布儒斯特角,测定玻璃折射率。4、观测椭圆偏振光与圆偏振光。5、了解 1/2 波片和 1/4 波片的用途。二、实验原理1、光的偏振状态光是电磁波,它是横波。通常用电矢量E表示光波的振动矢量。(1)自然光其电矢量在垂直于传播方向的平面内任意取向,各个方向的取向概率相等,所以在相当长的时间里(10-5秒已足够了),各取向上电矢量的时间平均值是相等的,这样的光称为自然光,如图27-l 所示。(2)平面偏振光电矢量只限于某一确定方向的
2、光,因其电矢量和光线构成一个平面而称其为平面偏振光。如果迎着光线看,电矢量末端的轨迹为一直线,所以平面偏振光也称为线偏振光,如图 27-2 所示。(3)部分偏振光电矢量在某一确定方向上较强,而在和它正交的方向上较弱,这种光称为部分偏振光,如图27-3 所示。部分偏振光可以看成是线偏振光和自然光的混合。(4)椭圆偏振光迎着光线看,如果电矢量末端的轨迹为一椭圆,这样的光称为椭圆偏振光。椭圆偏振光可以由两个电矢量互相垂直的、有恒定相位差的线偏振光合成得到。(5)圆偏振光迎着光线看,如果电矢量末端的轨迹为一个圆,则这样的光称为圆偏振光。圆偏振光可视为长、短轴相等的椭圆偏振光。图 27-4 椭圆偏振光资
3、料收集于网络,如有侵权请联系网站删除word 可编辑2、布儒斯特定律反射光的偏振与布儒斯特定律如图27-5 所示,光在两介质(如空气和玻璃片等)界面上,反射光和折射光(透射光)都是部分偏振光。当反射光线与折射光线的夹角恰为90时,反射光为线偏振光,其电矢量振动方向垂直于入射光线与界面法线所决定的平面(入射面)。此时的透射光中包含平行于入射面的偏振光的全部以及垂直于入射面的偏振光的其余部分,所以透射光仍为部分偏振光。由折射定律很容易导出此时的入射角满足关系12tannn(27-1)(27-1)式称为布儒斯特定律,入射角称为布儒斯特角,或称为起偏角。若光从空气入射到玻璃(n2约为 1.5),起偏角
4、约56。3、偏振片、起偏和检偏、马吕斯定律(1)由二向色性晶体的选择吸收所产生的偏振自然光偏振光偏振片P1P2I0起偏器检偏器自然光I图 a 偏振片起偏图 b 起偏和检偏图 27-6 偏振片有些晶体(如电气石)、长链分子晶体(如高碘硫酸奎宁),对两个相互垂直振动的电矢量具有不同的吸收本领,这种选择吸收性称为二向色性。在两平板玻璃间,夹一层二向色性很强的物质就制成了偏振片。自然光通过偏振片时,一个方向的电矢量几乎完全通过(该方向称为偏振片的偏振化方向),而与偏振化方向垂直的电矢量则几乎被完全吸收,因此透射光就成为线偏振光。根据这一特性,偏振片既可用来产生偏振光(起偏),也可用于检验光的偏振状态(
5、检偏)。(2)马吕斯定律用强度为I0的线偏振光入射,透过偏振片的光强为I,则有如下关系20cosII (27-2)(27-2)式称为马吕斯定律。是入射光的E 矢量振动方向和检偏器偏振化方向之间的夹角。以入射光线为轴转动偏振片,如果透射光强I有变化,且转动到某位置时I0,则表明入射光为线偏振光,此时 90。4、波片(1)两个互相垂直的、同频率的简谐振动的合成设有两各互相垂直且同频率的简谐振动,它们的运动方程分别为)cos()cos(2211tAytAx (27-3)合运动是这两个分运动之和,消去参数t,得到合运动矢量末端运动轨迹方程为)(sin)cos(21221221222212AAxyAyA
6、x (27-4)上式表明,一般情况下,合振动矢量末端运动轨迹是椭圆,该椭圆在2122AA的矩形范围内。如果(27-3)式表示的是两线偏振光,则叠加后一般成为椭圆偏振光。下面讨论相位差12为几种特殊值的情况。当k2(k=0,1,2,)时,(27-4)式变为文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q
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9、P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM
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13、网络,如有侵权请联系网站删除word 可编辑21AyAx (27-5)合振动矢量末端运动轨迹是上述矩形的对角线,与y 轴的夹角为。这就是说,相互垂直的、同相位的两线偏振光合成后仍为线偏振光,但E振动有新的取向。当)12(k(k=0,1,2,)时,(27-4)式变为21AyAx (27-6)(27-6)式表明,相互垂直的、相位相反的两线偏振光合成后也是线偏振光,E 振动方向与y 轴的夹角也是,但在 y 轴的另一侧。当2)12(k(k=0,1,2,)时,(27-4)式变为1222212AyAx (27-7)此时,合振动矢量末端运动轨迹是正立在上述矩形内的椭圆。即相互垂直的、相位差是2/的两线偏振光
14、合成为椭圆偏振光,椭圆的长半轴和短半轴分别等于两线偏振光的振幅。根据情况,且A1=A2=A,则(27-4)式变为222Ayx (27-8)即振幅相等的、相互垂直的、相位差是2/的两线偏振光合成为圆偏振光。(2)双折射晶体光轴e光o光图 27-7 双折射一束自然光在入射到某些各向异性晶体上时,能够被分成振动方向相互垂直的两束线偏振光,分别称为e光和 o光。它们以不同的速度、沿不同的方向在晶体内传播,如图27-7 所示。这种现象称为双折射,这些晶体称为双折射晶体,如方解石、石英等。方解石0nne,称“负晶体”,石英0nne称“正晶体”。在双折射晶体内有一个被称为光轴的特殊方向。光线在晶体内沿光轴传
15、播时,不发生双折射;平行于光轴传播时,e光和 o 光沿同一方向传播不再分离,但传播速度仍是不同。把双折射晶体沿光轴切割并磨制成平行平板,这就是波片。一束线偏振光垂直入射到波片表面,被分解成e光和 o 光。e光的 E 矢量振动方向平行于光轴,o 光的 E 矢量振动方向垂直于光轴,入射时它们之间的光程差为零,相位差0。因为 e光和 o 光传播速度不同,当从波片的第二表面出射时,它们之间就有了光程差,相位差也不再为零。在选定了晶体之后,对于某一波长的单色光,只取决于波片的厚度,即Lnneo2(27-9)式中的是单色光波长,on和en是 o 光和 e光的折射率,L 为晶片厚度。由于 o 光、e光的振动
16、方向相互垂直,取e 光轴为x 方向,沿x 轴、y 轴的光矢量分别为Ex和 Ey,则有22222sincos2oeyxoyexAAEEAEAE(27-10)因此,根据(27-10)式,就有如下推论:当k2时,为线偏振光;当12k时,为线偏振光;当21k时,为正椭圆偏振光;文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文
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20、4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5
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22、B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N8S4文档编码:CM9Q6G5I9W7 HI10K5X3B1Q4 ZT7X6P9N
23、8S4资料收集于网络,如有侵权请联系网站删除word 可编辑AeAAo光轴方向图 27-9 偏振片通过4/波片示意图当不等于以上各值时,为椭圆偏振光。晶片光轴AoAe平面偏振光在玻片内在空气中光轴图 27-8 波片中的e 光和 o 光(3)2/波片和4/波片对某一波长为的单色光,产生12k相位差的晶片称为该单色光的半波片。对某一波长为的单色光,产生21k相位差的晶片称为该单色光的4/波片。当线偏振光垂直人射到4/波片上时,且其振动方向与波片光轴成角,如图 27-9所示,由于o光和 e 光的振幅是的函数,所以,合成光的振幅A因角不同而不同。当0或2时,0OA或0eA,为线偏振光;当4时,eOAA
24、,为圆偏振光;当为其他角度时,为椭圆偏振光。表 27-1 鉴别光的偏振态光的种类仅使用偏振器,并使其旋转4/片+偏振片自然光光强不变,不消光光强不变,不消光圆偏振光光强不变,不消光消光线偏振光光强改变,消光,可以鉴定部分偏振光光强改变,但不消光光强改变,但不消光椭圆偏振光光强改变,但不消光消光三、实验仪器1、白光源(GY-6A)2、凸透镜(f=150mm)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 8、偏振片 9、X轴旋转二维架(SZ-06)10、11、升降调节座(SZ-03)12、二维平移底座(SZ-02)。另需
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