偏振光的产生与检测.docx

3.12偏振光的产生与检测【实验目的】（1）通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）观测圆偏振光和椭圆偏振光.【实验装置】光具座、激光器、白光源、光功率计、起偏器、检偏器、1/4波片、1/2波片、带小孔光屏【实验原理】1.偏振光的概念光的波动的形式在空间传播属于电磁波，它的电矢量与磁矢量相互垂直,且和均垂直于光的传播方向，如图3-12-1所示，故光波是横波.实验证明光效应主要由电场引起，所以电矢量的方向定为光的振动方向.图3-12-1光传播与振动示意图自然光源（如日光，各种照明灯等）发射的光是由构成这个光源的大量分子或原子发出的光波的合成.这些分子或原子的热运动和辐射是随机的，它们所发射的光振动，出现在各个方向的几率相等，这样的光叫做自然光.然而自然光经过媒质的反射、折射或者吸收后，在某一方向上振动比另外方向上强，这种光称为部分偏振光.如果光振动始终被限制在某一确定的平面内，则称为平面偏振光，也称为线偏振光或完全偏振光.偏振光电矢量的端点在垂直于传播方向的平面内运动轨迹是一圆周的，称为圆偏振光，是一椭圆的则称为椭圆偏振光.2.获得线偏振光的方法（1）反射式起偏器（或透射式起偏器）当自然光在两种介质的界面上反射或折射时，反射光和折射光都将成为部分偏振光.逐渐增大入射角，当达到某一特定值时，反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于入射面，如图3-12-2起偏角(亦称布儒斯持角).图3-12-2反射起偏光路图由布儒斯特定律可得（3-12-1） 例如当光由空气射向的玻璃平面时，. 若入射光以起偏角射到玻璃面上，则反射光为全偏振光，面折射光不是全偏振光，但这时它的偏振化程度最高.如使自然光以起偏角入射并透过多层玻璃(称玻璃片堆)．则透射出来的光也将接近于全偏振光，它的振动面与入射面平行.（2）晶体起偏器利用某些晶体的双折射现象，也可获得全偏振光，如尼科尔棱镜等.（3）偏振片（分子型薄膜偏振片）聚乙烯醇胶膜内部含有刷状结构的链状分子，在胶膜被拉伸时，这些链状分子被拉直并平行排列在拉伸方向上.由于吸收作用，拉伸过的薄膜只允许振动取向平行于分子排列方向(此方向称为偏振片的偏振轴)的光通过.利用它可获得线偏振光.偏振片是一种常用的“起偏”元件，用它可获得截面积较大的偏振光束．而且出射偏振光的偏振化程度可达98％.鉴别光的偏振状态的过程称为检偏，它所用的装置称为检偏器.实际上，起偏器和检偏器是通用的，用于起偏的偏振片称为起偏器，把它用于检偏，就成为检偏器了.按照马吕斯定律，强度为的线偏振光，通过检偏器后．透射光的强度为：（3-12-2）式中为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角.显然，当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度将会发生周期性变化.当＝0°时，透射光强度最大（如图3-12-3（a）所示）；当＝90°时，透射光强度为极小(消光状态（如图3-12-3（b）所示)，接近于全暗；当0°＜＜90°时，透射光强度介于最大和最小之间.因此，根据透射光强度变化情况，可以区别线偏振光、自然光和部分偏振光.图3-12-3表示自然光通过起偏器和检偏器的变化情况.图3-12-3自然光经过起偏器和偏振器的情况本实验是利用偏振片（起偏器和检偏器）观察偏振光的偏振情况.3.波片的偏光作用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光通过晶片后产生附加相位差.根据薄片的厚度不同，可以分为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.这两种偏振光通过晶片后，它们的相位差为：（3-12-3）其中，为入射偏振光在真空中的波长，和分别为晶片对o光e光的折射率，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（通过晶片后o光和e光的振动）：从两式中消去，经三角运算后得到全振动的方程式为：（3-12-4）由式（3-12-4）可知：①当（=0，1，2，……）时，为线偏振光；②当（=0，1，2，……）时，为正椭圆偏振光，在Ao?=?Ae时，为圆偏振光；③当为其他值时，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（相当于光程差为/2的奇数倍）的晶片，称为对应于该单色光的二分之一波片（/2波片），与此相似，能使o光和e光产生相位（相当于光程差为λ/4的奇数倍）的晶片，称为四分之一波片（/4波片）.本实验中所用波片（/4）是对6328A（He-Ne激光）而言的.如图3-12-4所示，当振幅为A的线偏振光垂直入射到/4波片上，其振动方向与波片光轴成角时，由于o光和