偏振现象的观察与研究.doc

实验题目 偏振现象的观察与研究 【实验目的】 1、观察光的偏振现象,加深对理论知识的研究. 2、了解产生和检验偏振光的原理和方法,以及所使用的元件. 【实验仪器】 1、光学平台 2、SZ-42氦氖激光器一个 3、SZ-06偏振片两个 4、波片一个 5、ST-80C照度计一架 【实验原理】 1、偏振光的基本概念 光和物质的相互作用过程中主要是电磁波中的电矢量起作用,所以人们通常以电矢量作为光波中振动矢量的代表.光的横波性只表明电矢量与光的传播方向垂直,但在与传播方向垂直的二维空间里电矢量还可能有各种各样的振动状态,此即为光的偏振. 光的偏振有种可能的状态:自然光、部分偏振光、平面偏振光(线偏振光)、圆偏振光以及椭圆偏振光.振动在垂直于光的传播方向的平面内可取所有可能的方向,且没有一个方向占据优势的光称为自然光,这种光不能直接显示出偏振现象,通常人们又称它为非偏振光;而在某一方向振动占据优势的光称为部分偏振光;只在某一固定方向振动的光称为线偏振光或平面偏振光;光波电矢量方向和大小随时间作有规则的改变,当电矢量末端在垂直于传播方向的平面上轨迹呈圆形时,称为圆偏振光;呈椭圆形时,称为椭圆偏振光.圆偏振光和椭圆偏振光都可以看作是两个振动面相互垂直的、有一定相位差的线偏振光的叠加. 2、线偏振光的产生 产生线偏振光的方法有很多,例如利用偏振片、罗雄、沃拉斯顿棱镜等,下面主要介绍产生线偏的两种其中方法: 、非金属表面反射和折射产生线偏振光, 偏振片产生线偏振光. 、非金属表面反射和折射产生线偏振光 当平行光从一种介质的一侧入射到另一介质时,其会在界面上发 生反射与折射.菲涅耳反射折射公式给出了反射、折射光与入射光中电矢量各分量的比例关系: , , , , (式中, 分别代表了入射、反射与折射光) 将上述菲涅耳反射折射公式代入振幅反射率以及透射率的定义式中,即可得到 如上即可看出,当光线斜射入非金属表面时,反射光和透射光都会产生偏振现象,通常都为部分偏振光.且反射光垂直于入射面的电矢量分量较强,透射光平行于入射面的电矢量分量较强.为了得到一个较为清晰的印象,如下,给出了光从光密射向光疏以及光从光疏射向光密时,不同入射角的强度反射率图线. 由右图可以看出,存在那么一个角度,当入射角于此时, 分量的反射率减小为零,此时 , 代入折射定律,可得 我们称为布儒斯特角,此时,反射光为完全的线偏振光. 虽然反射光是线偏振光,不过反射光改变了光的传播方向,利用起来很不方便.而以布儒斯特角入射时,折射光的偏振度也同时达到最高(从空气到玻璃偏振度=)故通常更多地使用透射光.利用多层玻璃组合成的玻璃锥,可以得到很好的透射线偏振光,且振动的方向平行于入射面. 偏振片产生线偏振光. 有些晶体(如电气石、人造偏振片)对两个相互垂直振动的电矢量有不 同的吸收本领,这种选择吸收性称为二向色性.当自然光通过二向色性晶体时,其中一成分的振动几乎完全被吸收,而另一成分的振动几乎没有损失,因而可由此产生线偏振光.如图所示.利用这种材料可制成偏振片.偏振片的特点是允许透过某一电矢量振动方向的光.我们把偏振片上能透过电矢量振动的方向称为它的偏振化方向或透振方向.利用偏振片可以获得截面较宽的偏振光束,而且造价低廉,使用方便,是常用的起偏器.同时,偏振片也可以作为检偏器使用. 3、马吕斯定律 强度为的线偏振光通过检偏器后的光强为 , 式中, 为线偏振光的振动面与检偏器的透振方向之间的夹角,此即为马吕斯定律.它表示线偏振光通过检偏器后透射光的强度随角的变化规律.当时,光强最大;当时, ,出现消光现象;当为其他值时，透射光强介于与之间. 4、双折射 让一束平行的自然光正入射在双折射晶体(单轴)的一个表面上,大多数情况我们会发现光分解成了两束(如图,注意方向和速度大小均出现了偏离).按照光的折射定律,正入射时光线不应偏折,故,有一束光明显违背了普通的折射定律.我们把没有偏折的那束光线称为寻常光,简称光;将另一束折射光称为非寻常光,简称光.此即为双折射现象. 但是,在双折射晶体中存在着一个特殊的方向,光线沿着这个方向传播时光和光不分开(即它们的传播速度和传播方向都一样),我们把这个方向称为晶体的光轴. 而,当入射光垂直于光轴入射时, 光和光虽仍然发射了双折射,但是光和光在晶体中的传播速度却不相同,由此,当光线从双折射晶体中射出时,两束光线即产生了一定的相位差. 从双折射晶体中切下的表面与光轴平行的薄片称为波晶片,假设波晶片对于光和光的折射率分别为与,则,同一时刻两束光在出射界面上的相位比入射界面落后 (光), (光), 这样,当两束光通过波晶片后,产生了相位的差值 , 除了与折射率之差成正比外,还与波晶片的厚