[偏振光实验讲义]

大学物理实验教程（第二分册） 1 实验 4 偏振光 【实验目的】 1．观察光的偏振现象，加深偏振的基本概念，掌握偏振光实验的思想方法。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。 【实验仪器】 1.导轨 2.半导体激光器 λ = 650nm ；3.偏振片（转盘刻度 360°，格值 2°）；4. 21 波 片、 41 波片（转盘刻度 360°，格值 2°）；5.旋转载物台（格值 1°）；6.玻璃堆；7.白屏； 8.光电接收单元：硅光电池；9.滑座（一维）；10. 滑座（二维）；11.白屏。 在导轨平台上靠近两端各放置光源及光电接收器。利用激光器调整架调节光束发射角度， 与横向微调滑座联调使光信号进入接收器。在光路中放置一起偏器，调到 0°，轻旋半导体 激光头使检流计数值较大（半导体激光在水平和垂直两个方向上发散角的差值较大，这两方 向的光能量也有差别）。 【实验原理及内容】 1． 线偏振光的产生与鉴别 自然光通过起偏器后，产生电矢量振动单一方向的线偏振光。判断其是否为线偏振光， 可让偏振光通过一个检偏器，当转动检偏器改变其偏振轴与线偏振光的振动方向之间的夹角 时，出射的光强随之改变。当偏振轴与线偏振光的振动方向平行时，出射的光强最大；而垂 直于线偏振光的振动方向时，出射的光强为零。如果检偏器转动一周，光强交替出现两次最 亮和两次消光，则可判断其为线偏振光。这些规律可用 Malus 定律表述如下（4.1）式： ， （4.1） 式中， 为检偏器偏振轴与线偏振光振动方向之间的夹角，E、I 分别为检偏器出射光的振 幅和光强，E0、I0 分别为线偏振光的振幅和光强。显然出射光线光强随角度 的变化成余弦 曲线的规律变化，周期为 。 以相对能量 I/I0 为纵坐标，cos 2 为横坐标， 从 00到 900变化时将形成一条直线，由此 也可验证线偏振光。 2. 验证马吕斯（Malus）定律 使起偏和检偏器偏振轴方向正交，记录光电接收器的示值，然后将检偏器偏振轴方向每 间隔 10°～15°角转动一次并逐次纪录光电接收的示值 I，直至转动 90°为止。重复上述 实验几次，在同一坐标系下画出实验所得相对光强透过率 0/I I 随 变化的关系曲线和 cos 2 曲线，并做比较。 90° 80° 70° 60° 50° 40° 30° 20° 10° 0° cos 2θ 实验得 I 实验得 I/I0 计算得 cos2θ 实验 4 偏振光 66 3. 折射光的偏振 如图 4.1 所示，光从折射率为 n1 的空气中入射到折射率 为 n2 的玻璃板中，反射光是振动方向垂直于入射面为主 的部分偏振光，折射光是振动方向平行于入射面为主的 部分偏振光。光斜向入射到玻璃堆上，经过玻璃堆被多 次反射后穿过玻璃堆的折射光是振动方向平行于入射面 为主的部分偏振光。 如图 4.2 所示，在光路中放置载物台、玻璃堆、检偏器、 光屏，转动载物台内盘使入射光以 50°～60°角射入， 通过偏振片可以看到透过玻璃堆的光 斑。使偏振片与透 射光垂直，旋转偏 振片，观察到的亮度有强弱变化，说 明透过玻璃堆的折射光是部分偏振 光，玻璃堆起到了起偏器的作用。检 偏器转盘指向 0°，光斑最暗，检偏 器转盘指向 90°，光斑最亮，说明此 时折射偏振光中平行于入射面振动的光比垂直于入射面振动的光要强。 4. 布儒斯特角 如图 4.3 所示，由布儒斯特定律可知，当光以布儒斯特角 i10 射入另一介质时，其反射 光为线偏振光。此时入射角 i10 与折射角 i2之和为 90°且 tg i10 = 1 2 n n  （4.2） 式中 n1 和 n2 分别为两种介质的折射率。 儒斯特角测量方法如下： ⑴玻璃堆反射面竖立放置在旋转载物台上，光 束垂直于载物台转轴入射到玻璃堆反射面、反 射光透过检偏器照射到白屏上，按照载物台以 上约三分之二玻璃堆高度调整入射光。旋转内 盘使入射光以 50°～60°的入射角射入玻璃堆，反射光射到白屏上并使偏振片、白屏与反 射光垂直。旋转偏振片，使处于较暗的位置。 （2）转动内盘，观察白屏看反射光亮度的改变，如果亮度渐渐变弱，再旋转偏振片使亮度 更弱。反复调整直至亮度接近全暗。这时再旋转偏振片，如果反射光的亮度由黑变亮，再变 n1 n2 i0 n2 i n1 图 4.1 自然光的反射光和折射光的偏振态 n1 n2 i 检偏器 光源 光屏 转动载物台 玻璃堆 刻度盘 i0 图 4.2 折射光的偏振实验光路图 p V O A B C D 90° 图 4.3 光以布儒斯特角入射时的反射和折射光的偏振态 大学物理实验教程（第二分册） 1 黑，说明此时反射光已是线偏振光。记下刻度盘的读数 1 。 （3）转动内盘，使入射光通过玻璃堆的反射光斑与入射光重合，记下度盘的读数θ 2 表示 入射方向的角位置。布儒斯特角 i10 =│θ 1－θ 2│此方法不是唯一测量方法，学生可以自己 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 其它实验方法。如图 4.4 所示光路是求 i10 的其它实验方法，光以布儒斯特角射入，入 射角α 1 与折射角α 2之和为 90°，即 α 1＋α 2 = 2 π 。折射光沿半圆玻璃盘半径方向射出， 测出折射光与反射光成 90°时，光的入射角即为布儒斯特角。 5. 波片延迟器 波片延迟器具有两个互相垂直的特定方向，即慢轴 s 和快 轴 f，当光波在延迟器中传播时，沿着这两个轴向偏振分量的光 的传播光速不同，即有不同的折射率。这样在传播过程中，慢 轴分量相对于快轴分量将会产生位相延迟 。设位相延迟器厚 度为d ，快、慢轴向振动的线偏振光折射率分别为 fn 、 sn ， 则  = 02 ( ) /s fn n d  （4.3） 式中 0 真空中光的波长，位相延迟 为2 / 2N  时，光程差 ( )s fn n d 为 0 / 4 ，这时 厚度为d 的相延迟器称1/ 4波片，同理 为 (2 1)N  的延迟器称1/ 2波片或半波片。 6.圆偏振光的产生与鉴别 入射的线偏振光经过相延迟器后偏振态将发生变化，如 图 4.5 所示，入射的单色线偏振光振动方向与慢轴 s 的夹角为  ，设单色线偏振光的电矢量为 0E  ，其振幅 0E 在慢轴 s、 快轴 f 的分量分别为 0 0 cossE E  、 0 0 sinfE E  ， 线偏振光的光振动在慢轴 s、快轴 f 的分量分别为 0 coss sE E t  、 0 cosf fE E t  经过相延迟器后两分量变成 0 0 c o s c o s ( ) s s f f E E t E E t          （4.3） 式中 0/st t n d c   ，透过1/ 4波片位相延迟 / 2  或 / 2 ，它透过检偏器的两振动 分量为 0 0 cos cos( ) 2 s s f f E E t E E t            （4.4） p V O A B C D 图 4.4 入射角为布儒斯特 α 2 90° α 1 S 轴 0 ｆ轴 0sE  0fE 0E 图 4.5 偏振光在相延迟器中快慢轴向的分量 实验 4 偏振光 68 当快、慢轴上偏振分量振幅相等（ 0 0s fE E ）时，式（4.4）描述的是一个圆偏振光， 其特点是电矢量以角速度 旋转，电矢量末端的轨迹是一圆，这时透过1/ 4波片的光是圆 偏振光，它透过1/ 4波片的两振动分量为 0 0 2 c o s 2 2 c o s ( ) 2 2 s f E E t E E t              （4.5） 它透过检偏器的两振动分量为 0 0 2 ( c o s ) c o s 2 2 c o s ( ) s i n 2 2 s f E E t E E t                       （4.6） 透过检偏器的合振动为 0 2 sin( ) 2 j s fE E E E t        （4.7） 式中  角为检偏器透振方向与波片慢轴的夹角。 观察时间内合振动光强的平均值为 20 0 1 1 4 2 I E I  （4.8） 故圆偏振光透过检偏器后，出射光强恒定不变，且为线偏振光的 1/2。 7．椭圆偏振光的产生和鉴别 让线偏振光垂直入射到1/ 4波片，如果线偏振光的振动方向与1/ 4波片的快轴和慢轴不 成 450、00和 900角，它透过1/ 4波片的两振动分量为式（2.4），它透过检偏器的两振动分量 为 0 0 ( c o s ) c o s c o s ( ) s i n 2 s s f f E E t E E t                       （4.9） 这时透过1/ 4波片的光是椭圆偏振光。 观察时间内透过检偏器光强的平均值为 2 2 2 2 2 2 0 0 1 1 cos cos sin sin 2 2 I E E        （4.10） 沿快轴或慢轴入射的偏振光通过波片后其偏振状态不变，当 = 0 和π /2 时，椭圆偏振 光退化为平面偏振光。也就是说，1/4 波片可将平面偏振光变成椭圆偏振光或圆偏振光；也 可将椭圆偏振光或圆偏振光变成平面偏振光。 如果平面偏振光的振动方向与 1/2 波片光轴的夹角为，则通过 1/2 波片后的光仍为平 面偏振光，但其振动面相对于入射光的振动面转过 2角。在光源前放入两偏振片，将 1/4 波片放入两偏振片之间，并使 1/4 波片的光轴与起偏器的偏振化方向成 45°角，透过 1/4 波 片的光就是圆偏振光。因为人眼不能分辨圆、椭圆偏振光，所以借助检偏器来检验，旋转检 偏器可在白屏看到在各个方向上光强保持均匀（由于 1/4 波片的波长与光源的波长不一定能 完全相配，这样光强在各个方向上只是大体均匀）。如果 1/4 波片的光轴与起偏的偏振化方 向不成 45°角，则由波片出来的光为椭圆偏振光，旋转检偏可看到光强在各个方向上有强 弱变化。取下 1/4 波片，使两偏振片正交，视场最暗。将 1/2 波片（波片的指标线对至 0°） 大学物理实验教程（第二分册） 1 放入两偏振片之间，使 1/2 波片的光轴与起偏的偏振化方向成 角，视场变亮。旋转检偏使 视场最暗，此时检偏的转盘刻度相对于起偏器转动了 2角。说明线偏振光经 1/2 波片后仍 为线偏振光，但振动面旋转了 2 角。 5．观察并记录圆偏振光透过检偏器光强与检偏器转角间的关系曲线（直角坐标和极坐 标两种）。 6．改变波片光轴与线偏振光的夹角，得到不同的椭圆偏振光；在直角坐标和极坐标两 种坐标系中，分别观察记录各种椭圆偏振光透过检偏器光强与检偏器转角间的关系曲线。 7． 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 实验中出现的问题及解决办法，对照曲线，定量讨论三类偏振光的基本特性。 【注意事项】 激光器发光强度的起伏对实验有影响，应配置稳压电源。并预热半小时。仪器应保持清 洁，光学件表面灰尘应用皮老虎吹掉，或用脱脂棉轻轻擦拭，切勿用手触摸表面。导轨面可 涂少许润滑剂。 【思考题】 1．在两片偏振化方向互相垂直的起偏和检偏两偏振片中插入1/2波片，使光轴和起偏器的偏 振化方向平行，那么透过减偏器的光是亮还是暗？为什么？将减偏器旋转90度则透出的光亮 暗是否有变化？2．设计一个方案，把圆偏振光、自然光、圆偏振光和自然光的混合光检验 分辨出来？3．三块外形相同的偏振片、1/2波片、1/4波片混合放在一起，试把它们区分开来， 需要借助什么工具。