光學(xué)偏振說 明書

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1、光的干涉和衍射現(xiàn)象表明光是一種波動(dòng),但這些現(xiàn)象還不能告訴我們光是縱波還是橫波，光的偏振現(xiàn)象清楚的顯示了光的橫波性。歷史上，早在光的電磁理論建立以前，在楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)成功以后不多年，馬呂斯（E.L.Malus）于1809年就在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．驗(yàn)證馬呂斯定律；2．產(chǎn)生和觀察光的偏振狀態(tài)；3．了解產(chǎn)生與檢驗(yàn)偏振光的元件和儀器；4．掌握產(chǎn)生與檢驗(yàn)偏振光的條件和方法。實(shí)驗(yàn)原理光波是一種電磁波，電磁波是橫波，光波中的電矢量與波的傳播方向垂直。光的偏振現(xiàn)象清楚的顯示了光的橫波性。光波的電矢量E和磁矢量H相互垂直，且都垂直于光的傳播

2、方向c（圖1）。通常用電矢量E代表光的振動(dòng)方向，并將電矢量E和光的傳播方向c所構(gòu)成的平面稱為光振動(dòng)面。ExEyEyxAxAy圖3a橢圓偏振光的合成EcH圖1E，H，c三者之間的關(guān)系圖2線偏振光、自然光及部分偏振光abc我們知道光有五種偏振狀態(tài)，即線偏振光、橢圓偏振光、圓偏振光、自然光和部分偏振光。在傳播過程中，電矢量的振動(dòng)方向始終在某一確定方向的光稱為平面偏振光或線偏振光（圖2a）。光源發(fā)射的光是由大量分子或原子輻射構(gòu)成的。單個(gè)原子或分子輻射的光是偏振的，由于大量原子或分子的熱運(yùn)動(dòng)和輻射的隨機(jī)性，它們所發(fā)射的光的振動(dòng)面出現(xiàn)在各個(gè)方向的幾

3、率是相同的。一般說，在10-6秒內(nèi)各個(gè)方向電矢量的時(shí)間平均值相等，故這種光源發(fā)射的光對(duì)外不顯現(xiàn)偏振的性質(zhì)，稱為自然光（圖2b）。在發(fā)光過程中，有些光的振動(dòng)面在某個(gè)特定方向上出現(xiàn)的幾率大于其他方向，即在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)電矢量在某一方向上較強(qiáng)，這樣的光稱為部分偏振光（圖2c）。還有一些光，其振動(dòng)面的取向和電矢量的大小隨時(shí)間作有規(guī)律的變化，電矢量末端在垂直于傳播方向的平面上的軌跡是橢圓或圓，這種光稱為橢圓偏振光或圓偏振光（圖3a）。其中線偏振光和圓偏振光又可看作橢圓偏振光的特例。橢圓偏振光可看作是兩個(gè)沿同一方向z傳播的振動(dòng)方向相互垂直的線偏振光的合

4、成：如圖1所示：（1）（2）式中A為振幅，w為兩光波的圓頻率,t表示時(shí)間，k為波矢量的數(shù)值，e為兩波的相對(duì)位相差。合成矢量E的端點(diǎn)在波面內(nèi)描繪的軌跡為一橢圓。橢圓的形狀、取向和旋轉(zhuǎn)方向，由Ax、Ay和e決定。當(dāng)Ax＝Ay及e＝±p/2時(shí)，橢圓偏振光變?yōu)閳A偏振光；當(dāng)Ax（或Ay＝0）及e＝0或±p時(shí)，橢圓偏振圖3b偏振態(tài)的轉(zhuǎn)化-π<ε<-π/2-π/2<ε<00<ε<π/2π/2<ε<πε=-πε=-π/2ε=0ε=π/2左旋右旋ε=π光變?yōu)榫€偏振光（圖3b）。本實(shí)驗(yàn)中主要考察的是光的各種偏振態(tài)的改變。一自然光變?yōu)榫€偏振光一束自然光入射到

5、介質(zhì)的表面，其反射光和折射光一般是部分偏振光。在特定入射角即布儒斯特角qb下，反射光成為線偏振光，其電矢量垂直于入射面。若光是由空氣入射到折射率為玻璃平面上（圖4a），則玻璃qb.......空氣圖4a用玻璃片產(chǎn)生反射全偏振光（3）1.51.51.51.01.01.01.0??????????qb圖4b用玻璃片堆產(chǎn)生線偏振光若入射光以布儒斯特角qb射到多層平行玻璃片上，經(jīng)多次反射最后透射出來的光也就接近于線偏振光，其振動(dòng)面平行于入射面。由多層玻璃片組成的這種透射起偏器又稱為玻璃片堆。（圖4b）.自然光經(jīng)過偏振片，其透射光基本上變?yōu)榫€偏振

6、光，這是由于偏振片具有選擇吸收性的緣故，入射光波中，電矢量E垂直于偏振片透光方向的成分被強(qiáng)烈吸收，而E平行于透光方向的分量則吸收較少。二波晶片利用單軸晶體的雙折射，所產(chǎn)生的尋常光（o光）和非常光（e光）都是線偏振光。前者的E垂直于o光的主平面（晶體內(nèi)部某條光線與光軸構(gòu)成的平面），后者的E平行于e光的主平面。波晶片是從單軸晶體中切割下來的平面平行板，其表面平行于光軸。當(dāng)一束單色平行自然光正入射到波晶片上，光在晶體內(nèi)部便分解為o光與e光。o光電矢量垂直于光軸，e光電矢量平行于光軸。而兩者的傳播方向不變，仍都與界面垂直。但o光在晶體內(nèi)的波速為

7、vo,e光為ve，即相應(yīng)的折射率no、ne不同。設(shè)晶片的厚度為L(zhǎng),則兩束光通過晶片后就有位相差：（4）其中l(wèi)為光波在真空中的波長(zhǎng)。d＝2kp的晶片，稱為全波片；d＝2kp±p時(shí)，為半波片；d＝2kp±p/2為四分之一波片；三偏振光的檢測(cè)鑒別光的偏振態(tài)的過程稱為檢偏，它所用的裝置稱為檢偏器。實(shí)際上，起偏器和檢偏器是通用的。用于起偏的偏振片稱為起偏器，用于檢偏的稱為檢偏器。按照馬呂斯定律，強(qiáng)度為I0的線偏振光通過檢偏器后，透射光的強(qiáng)度為：（5）起偏器檢偏器..自然光線偏振光I2I1圖5自然光通過起偏器和檢偏器的變化式中q為入射光偏振方向與檢

8、偏器的偏振軸之間的夾角。顯然，當(dāng)以光線傳播方向?yàn)檩S轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器時(shí)，透射光強(qiáng)度I將發(fā)生周期性變化。當(dāng)q＝0時(shí)，透射光強(qiáng)度為極大值；當(dāng)q＝90°時(shí)，透射光強(qiáng)度為極小值，我們稱之為消光狀態(tài)，接近于全暗；當(dāng)0