实验3.8 偏振光的观测与研究
偏振光的理论意义和价值是, 证明了光是横波。
同时, 偏振光在很多技术领域得到了广泛的应用。
如偏振现象应用在摄影技术中可大大减小反射光的影响, 利用电光效应制作电光开关等。
【实验目的】
1．经过观察光的偏振现象, 加深对光波传播规律的认识。
2．掌握偏振光的产生和检验方法。
3．观察布儒斯特角及测定玻璃折射率。
4．观测圆偏振光和椭圆偏振光。
【实验仪器】
光具座、激光器、光点检流计、起偏器、检偏器、1/4波片、1/2波片、光电转换装置、观测布儒斯特角装置、带小孔光屏、钠光灯。
【实验原理】
按照光的电磁理论, 光波就是电磁波, 电磁波是横波, 因此光波也是横波。
在大多数情况下, 电磁辐射同物质相互作用时, 起主要作用的是电场, 因此常以电矢量作为光波的振动矢量。
其振动方向相对于传播方向的一种空间取向称为偏振, 光的这种偏振现象是横波的特征。
根据偏振的概念, 如果电矢量的振动只限于某一
确定方向的光, 称为平面偏振光, 亦称线偏振光; 如果
电矢量随时间作有规律的变化, 其末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆( 或圆) , 这样的光称为椭圆偏振光( 或圆偏振光) ; 若电矢量的取向与大小都随时间作无规则变化, 各方向的取向率相同, 称为自然光, 如图3-26所示; 若电矢量在某一确定的方向上最强, 且各向的电振动无固定相位关系, 则称为偏振光。
1．获得偏振光的方法
( 1) 非金属镜面的反射, 当自然光从空气照射在折射率为n 的非金属镜面( 如玻璃、 水等) 上, 反射光与折射光都将成为部分偏振光。
当入射角增大到某一特定值φ0时, 镜面反射光成为完全偏振光, 其振动面垂直于射面, 这时入射角φ称为布儒斯特角, 也称起偏振角, 由布儒斯特定律得:
0tan n φ= ( 3-51) 其中, n 为折射率。
( 2) 多层玻璃片的折射, 当自然光以布儒斯特角入射到叠在一起的多层平行玻璃片上时, 经过多次反射后透过的光就近似于线偏振光, 其振动在入射面内。
( 3) 晶体双折射产生的寻常光( o 光) 和非常光( e 光) , 均为线偏
图3-26 自
振光。
( 4) 用偏振片能够得到一定程度的线偏振光。
2．偏振片、 波片及其作用
( 1) 偏振片
偏振片是利用某些有机化合物晶体的二向色性, 将其渗入透明塑料薄膜中, 经定向拉制而成。
它能吸收某一方向振动的光, 而透过与此垂直方向振动的光, 由于在应用时起的作用不同而叫法不同, 用来产生偏振光的偏振片叫做起偏器, 用来检验偏振光的偏振片叫做检偏器。
按照马吕斯定律, 强度为I 0的线偏振光经过检偏器后, 透射光的强度为:
θ20cos I I = ( 3-52)
式中θ为入射偏振光的偏振方向与检偏器偏振化方向之间的夹角, 显然当以光线传播方向为轴转动检偏器时, 透射光强度I 发生周期性变化。
当θ=0°时, 透射光强最大; 当θ=90°时, 透射光强为极小值( 消光状态) ; 当0°<θ<90°时, 透射光强介于最大和最小之间。
自然光经过起偏器后可变为线偏振光, 线偏振光振动方向与起偏器的透光轴方向一致。
因此, 如果检偏器的透光轴与起偏器的
透光轴平行, 则在检偏器后面可看到一定光强, 如果二者垂直时, 则无光透过, 如图3-27所示。
其中( a) 图为起偏器透光轴P 1与检偏器透光轴P 2平行的情况; ( b) 图为起偏器透光轴P 1与检偏器透光轴P 2垂直的情况。
此时透射光强为零, 此种现象称为消光。
在实验中要经常利用”消光”现象来判断光的偏振状态。
图3-27 偏振光
( 2) 波片
波片也称相位延迟片, 是由晶体制成的厚度均匀的薄片, 其光轴与薄片表面平行, 它能使晶片内的o 光和e 光经过晶片后产生附加相位差。
根据薄片的厚度不同, 能够分为1/2波长片, 1/4波长片等, 所用的1/2、 1/4波长片皆是对钠光而言的。
当线偏振光垂直射到厚度为L , 表面平行于自身光轴的单轴晶片时, 则寻常光( o 光) 和非常光( e 光) 沿同一方面前进, 但传播的速度不同。
这两种偏振光经过晶片后, 它们的相位差φ为:
()o e 2πn n L ϕλ=- ( 3-53)
其中, λ为入射偏振光在真空中的波长, n o 和n e 分别为晶片对o 光e 光的折射率, L 为晶片的厚度。
我们知道, 两个互相垂直的, 同频率且有固定相位差的简谐振动, 可用下列方程表示( 经过晶片后o 光和e 光的振动) :
()
e o sin sin X A t Y A t ωωϕ=⎧⎪⎨=+⎪⎩ 从两式中消去t , 经三角运算后得到全振动的方程式为:
222222cos sin e o e o X Y XY A A A A ϕϕ++= ( 3-54)
由此式可知;
①当ϕ=K π( K = 0, 1.2.……) 时, 为线偏振光。
②当()π212K ϕ=+( K = 0, 1.2.……) 时, 为正椭圆偏振光。
在A o = A e 时, 为圆偏振光。
③当ϕ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于晶片的情况下, 能使o 光和e 光产生相位差ϕ= (2K + 1)π( 相当于光程差为λ/2的奇数倍) 的晶片, 称为对应于该单色光的二分之一波片( λ/2波片) , 与此相似, 能使o 光和e 光产生相位()π212
K ϕ=+( 相当于光程差为λ/4的奇数倍) 的晶片, 称为四分之一波片( λ/4波片) 。
本实验中所用波片( λ/4) 是对6328A( H e -N e 激光) 而言的。