實驗5光的偏振實驗實驗

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1、光的偏振實驗實驗說明書北京方式科技有限責任公司光的干涉和衍射現(xiàn)象表明光是一種波動,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，在楊氏雙縫實驗成功以后不多年，馬呂斯（E.L.Malus）于1809年就在實驗上發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象。實驗目的1．驗證馬呂斯定律；2．產生和觀察光的偏振狀態(tài)；3．了解產生與檢驗偏振光的元件和儀器；4．掌握產生與檢驗偏振光的條件和方法。實驗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

2、直，且都垂直于光的傳播方向c（圖1）。通常用電矢量E代表光的振動方向，并將電矢量E和光的傳播方向c所構成的平面稱為光振動面。ExEyEyxAxAy圖3a橢圓偏振光的合成圖2線偏振光、自然光及部分偏振光abcEcH圖1E，H，c三者之間的關系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成的。單個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動和輻射的隨機性，它們所發(fā)射的光的振動面出現(xiàn)在各個方向的幾率

3、是相同的。一般說，在10-6秒內各個方向電矢量的時間平均值相等，故這種光源發(fā)射的光對外不顯現(xiàn)偏振的性質，稱為自然光（圖2b）。在發(fā)光過程中，有些光的振動面在某個特定方向上出現(xiàn)的幾率大于其他方向，即在較長時間內電矢量在某一方向上較強，這樣的光稱為部分偏振光（圖2c）。還有一些光，其振動面的取向和電矢量的大小隨時間作有規(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沿同一方向z傳播的振動方向相互垂直的線偏振光的合成：如圖1所示：（1）（2

4、）式中A為振幅，w為兩光波的圓頻率,t表示時間，k為波矢量的數(shù)值，e為兩波的相對位相差。合成矢量E的端點在波面內描繪的軌跡為一橢圓。橢圓的形狀、取向和旋轉方向，由Ax、Ay和e決定。當Ax＝Ay及e＝±p/2時，橢圓偏振光變?yōu)閳A偏振光；當Ax（或Ay＝0）及e＝0或±p時，橢圓偏振圖3b偏振態(tài)的轉化-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）。本實驗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介質的表面，其反射光和折射光一般是部分偏振光。在特

5、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，經多次反射最后透射出來的光也就接近于線偏振光，其振動面平行于入射面。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）.自然光經過偏振片，其透射光基本上變?yōu)榫€偏振光，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

6、光方向的成分被強烈吸收，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（晶體內部某條光線與光軸構成的平面），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。當一束單色平行自然光正入射到波晶片上，光在晶體內部便分解為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光在晶體內的波速為vo,e光為ve，即相應的折射率no、ne不同。設晶片的厚度為L,則兩束光通過晶片后就有位相差：（

7、4）其中l(wèi)為光波在真空中的波長。d＝2kp的晶片，稱為全波片；d＝2kp±p時，為半波片；d＝2kp±p/2為四分之一波片；三偏振光的檢測鑒別光的偏振態(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，強度為I0的線偏振光通過檢偏器后，透射光的強度為：（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偏器的偏振軸之間的夾角。顯然，當以光線傳播方向為軸轉動檢偏器時，透射光強度I將發(fā)生周期性變化。當q＝0時，透射光強度為極大

8、值；當q＝90°時，透射光強度為極小值