偏振光的观测与研究实验报告.docx

《偏振光的观测与研究实验报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《偏振光的观测与研究实验报告.docx（13页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、偏振光的观测与争论 -试验报告偏振光的观测与争论光的干预和衍射试验证明白光的波动性质。本试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。光的偏振性证明白光是横波，人们通过对光的偏振性质的争论，更深刻地生疏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普及于工农业、医学、国防等部门。利用偏振光装置 的各种周密仪器，已为科研、工程设计、生产技 术的检验等，供给了极有价值的方法。【试验目的】 1观看光的偏振现象，加深偏振的根本概念。2. 了解偏振光的产生和检验方法。3. 观测布儒斯特角及测定玻璃折射率。4. 观测椭圆偏振光和圆偏振光。【试验仪器】光具

2、座、激光器、偏振片、1/4 波片、1/2 波片、光电转换装置、光点检流计、观测布儒斯特角装置图 1 试验仪器实物图【试验原理】 1偏振光的根本概念依据光的电磁理论，光波就是电磁波，它的电矢量 E 和磁矢量 H 相互垂直。两者均垂直于光的传播方向。从视觉和感光材料的特性上看，引起视 觉和化学反响的是光的电矢量，通常用电矢量E 代表光的振动方向，并将电矢量 E 和光的传播方向所构成的平面称为光振动面。在传播过程中，光的振动方向始终在某一确定方位的光称为平面偏振光或线偏振光，如图 2a。光源放射的光是由大量原子或分子辐射构成的。由于热运动和辐射的随机性，大量原子或分子放射的光的振动面消灭在各个方向的

3、几率是一样 的。一般说，在 106s 内各个方向电矢量的时间平均值相等，故消灭如图 2b所示的所谓自然光。有些光的振动面在某个特定方向消灭的几率大于其他方向，即在较长时间内电矢量在某一方向较强，这就是如图 2c所示的所谓局部偏振光。还有一些光，其振动面的取向和电矢量的大小随时间作有规章的变化，其电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的移动轨迹呈椭圆或圆形，这样的光称为椭圆偏振光或圆偏振光，如图 2c所示。图 2 光波按偏振的分类2获得偏振光的常用方法(1)非金属镜面的反射。通常自然光在两种媒质的界面上反射和折射时， 反射光和折射光都将成为局部偏振光。并且当入射角增大到某一特定值 时，镜面反射光成为

4、完全偏振光，其振动面垂直于入射面，如图 3 所示， 这时入射角 称为布儒斯特角，也称为起偏角。由布儒斯特定律得：其中 、 分别为两种介质的折射率， 为相对折射率。时，透射光强最大；当 =90 时，透射光强为极小值消光状态，当 90 时，透射光强介于最大和最小值之间，如以下图表示了自然光通过 起偏器与检偏器的变化。图 4 光波的起偏核检偏依据透射光强度变化的状况，可以区分线偏振光、自然光和局部偏振光。(2)波片波片是用单轴晶体切成的外表平行于光轴的薄片。当线偏振光垂直射到厚度为 L，外表平行于自身光轴的单轴晶片时，会产生双折射现象，寻常光O 光和格外光(e 光)沿同一方向前进，但传播的速度不同。

5、这两种偏振光通过晶片后，它们 的相位差为：其中， 为入射偏振光在真空中的波长，n 和 noe分别为晶片对 o 光和 e 光的折射率，L 为晶片的厚度。我们知道，两个相互垂直的、频率一样且有固定 相位差的简谐振动，可用以下方程表示如通过晶片后光和光的振动：从两式中消去 t，经三角运算后得到合振动的方程式为由此式可知，1 当 时， ，为线偏振光。2 当 时， ，为正椭圆偏振光。在 = 时，为圆偏振光。3 当 为其它值时，为椭圆偏振光。在某一波长的线偏振光垂直入射到晶片的状况下，能使 o 光和 e 光产生相位差 相当于光程差为 的奇数倍的晶片，称为对应于该单色光的二分之一波片 1/2 波片或 波片；

6、与此相像，能使 o 光和 e 光产生相位差 相当于光程差为 的奇数倍的晶片，称为四分之一波片1/4 波片或 波片。本试验中所用波片 是对 激光而言的。如图 5 所示，当振幅为 A 的线偏振光垂直入射到1/4 波片上，振动方向与波片光轴成 角时，由于 o 光和 e 光的振幅分别为 A 和 A ，所以通过1/4 波片合成的偏振状态也随角度 的变化而不同。图 51 当 = 时，获得振动方向平行于光轴的线偏振光e 光。2 当 = /4 时，获得振动方向垂直于光轴的线偏振光o 光。3 当 = /2 时，Ae=Ao 获得圆偏振光。4 当 为其它值时，经过 1/4 波片后为椭圆偏振光。所以，可以用 1/4

7、波片获得椭圆偏振光和圆偏振光。【试验内容与步骤】1. 起偏与检偏鉴别自然光与偏振光，验证马吕斯定律。(1) 在光源至光屏的光路上插入起偏器P ，旋转 P11，观看光屏上光斑强度的变化状况。(2) 在起偏器 P 后面再插入检偏器 P 。12固定 P 的方位,旋转 P ，旋转 3600，观看光屏12上光斑强度的变化状况。有几个消光方位？(3) 以硅光电池代替光屏接收 P2出射的光束，旋转P2，记录相应的光电流值，共转900，在坐标纸上作出 Icos2 关系曲线。2. 观测布儒斯特及测定玻璃折射率(1) 在起偏器 P1后，插入测布儒斯特角的装置，再在 P1和装置之间插入一个带小孔的光屏。调整玻璃平板

8、，使反射的光束与入射光束重合。登记初始角 。(2) 一面转动玻璃平板，一面同时转动起偏器 P ，使其透过方向在入射面内。反复调整直到1反射光消逝为止，此时登记玻璃平板的角度 ，重复测量三次，求平均值。算出布儒斯特角 。(3) 把玻璃平板固定在平儒斯特角的位置上，去掉起偏器 P1，在反射光束插入检偏器 P ，2转 P ，观看反射光的偏振状态。23. 观看椭圆偏振光和圆偏振光(1) 先使起偏器P1和检偏器P2的偏振轴垂直即检偏器 P2 后的光屏上处于消光状态，在起偏器 P1和检偏器 P2之间插入 1/4 波片，转动波片使 P2后的光屏上仍处于消光状态此时 = 。(2) 从 = 的位置开头，使检偏器

9、 P2转动，这时可以从屏上光强的变化看到经过 1/4 波片后的光为线偏振光。(3) 取 =900，使检偏器P2转动，这时也可以从屏上光强的变化看到经过 1/4 波片后的光为线偏振光。其振动面与 = 时的振动面垂直。(4) 取 为除 00 和 900 外的其他值，观看转动P 时屏上光强的变化，其结果与椭圆偏振光对2应。特别是当 =450 时，P2转动时屏上光强几乎不变，这便是圆偏振光对应的状态。【留意事项】1、试验中各元件不能用手摸，试验完毕后按规 定位置放置好。2、不要让激光束直接照耀或反射到人眼内。【数据记录及处理】表 1 马吕斯定律验证明验P 与 P 光 电 流 的 读 数I12偏振化 方向夹第 一第二第三次实I/I0验理I/I =cos20论角次次001.003000.754500.506000.25900表 2玻璃折射率的测定与计算0.00次数玻璃平板的角位置光垂直入反射光消布儒斯特角玻璃折射时光时射率n=tg 【思考题】1. 偏振光的获得方法有哪几种？2. 通过起偏和检偏的观测，你应当怎样判别自然光和偏振光？3. 什么是马吕斯定律？本试验如何验证此定律？4. 玻璃平板在布儒斯特角的位置上时，反射光束是什么偏振光？它的振动是在平行于入射面内还是在垂直于入射面内？