大学物理实验偏振光的观测及研究报告Word文档格式.docx
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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〕；
假设电矢量的取向与大小都随时间作无规那么变化，各方向的取向率一样，称为自然光，如图3-26所示；
假设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，那么称为偏振光。
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局部偏振光。
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：
〔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，经过屡次反射后透过的光就近似于线偏振光，其振动在入射面。
〔3〕晶体双折射产生的寻常光〔o光〕和非常光〔e光〕，均为线偏振光。
〔4〕用偏振片可以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I0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为：
〔3-52〕
式中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=0°
时，透射光强最大；
当=90°
时，透射光强为极小值〔消光状态〕；
当0°
<
90°
时，透射光强介于最大和最小之间。
自然光通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，那么在检偏器后面可看到一定光强，如果二者垂直时，那么无光透过，如图3-27所示。
其中〔a〕图为起偏器透光轴P1与检偏器透光轴P2平行的情况；
〔b〕图为起偏器透光轴P1与检偏器透光轴P2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，其光轴与薄片外表平行，它能使晶片的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，外表平行于自身光轴的单轴晶片时，那么寻常光〔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φ为：
〔3-53〕
其中，为入射偏振光在真空中的波长，no和ne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，可用以下方程表示〔通过晶片后o光和e光的振动〕：
从两式中消去t，经三角运算后得到全振动的方程式为：
〔3-54〕
由此式可知；
①当=K〔K
=0，1.2.……〕时，为线偏振光。
②当〔K
=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=（2K
+1）〔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3-28所示，当振幅为A的线偏振光垂直入射到/4波片上，振动方向与波片光轴成角时，由于o光和e光的振幅分别为Asin和Acos，所以通过/4波片后合成的偏振状态也随角度的变化而不同。
①当=0°
时，获得振动方向平行于光轴的线偏振光。
②当=/2时，获得振动方向垂直于光轴的线偏振光。
③当=/4时，Ae
=Ao获得圆偏振光。
④当为其他值时，经过/4波片后为椭圆偏振光。
3．椭圆偏振光的测量
椭圆偏振光的测量包括长、短轴之比及长、短轴方位的测定。
如图3-29所示，当检偏器方位与椭圆长轴的夹角为时，那么透射光强为：
图3-28图3-29
当=时
当时
那么椭圆长短轴之比为
〔3-55〕
椭圆长轴的方位即为的方位。
【实验容与步骤】
1．起偏与检偏鉴别自然光与偏振光
〔1〕在光源至光屏的光路上插入起偏器P1，旋转P1，观察光屏上光斑强度的变化情况。
〔2〕在起偏器P1后面再插入检偏器P2，固定P1方位，旋转P2，旋转360°
，观察光屏上光斑强度的变化情况。
有几个消光方位.
〔3〕以硅光电池代替光屏接收P2出射的光束，旋转P2，每转过10°
记录一次相应的光电流值，共转180°
，在坐标纸上作出I0～cos2关系曲线。
2．观察布儒斯特角及测定玻璃折射率
〔1〕在起偏器P1后插入测布儒斯特角装置，再在P1和装置之间插入一个带小孔的光屏。
调节玻璃平板，使反射光束与入射光束重合，记下初始角。
〔2〕一面转动玻璃平板，一面同时转动起偏器P1，使其透过方向在入射面。
反复调节直到反射光消失为止，此时记下玻璃平板的角度，重复测量三次，求平均值，算出布儒斯特角。
〔3〕把玻璃平板固定在布儒斯特角的位置上，去掉起偏器P1，在反射光束中插入检偏器P2，旋转P2，观察反射光的偏振状态。
3．观测椭圆偏振光和圆偏振光
〔1〕如图3-30所示，先使起偏器P1和检偏器P2偏振轴垂直〔即检偏器P2后的光屏上处于消光状态〕，在起偏器P1和检偏器P2之间插入/4波片，转动波片使P2后的光屏上仍处于消光状态。
用硅光电池〔及光点检流计组成的光电转换器〕取代光屏。
图3-30
〔2〕将起偏器P1转过20°
，调节硅光电池使透过P2的光全部进入硅光电池的接收孔。
转动检偏器P2找出最大电流的位置，并记下光电流的数值。
重复测量3次，求平均值。
〔3〕转动P1，使P1的光轴与/4波片的光轴的夹角依次为30°
、45°
、60°
、75°
、90°
值，在取上述每一个角度时，都将检偏器P2转动一周，观察从P2透出光的强度变化。
4．观察线偏振光通过1/2波片时的现象〔在前面实验的根底上进展〕
〔1〕固定起偏器，转动检偏器至消光位置并固定不动。
〔2〕在起偏器与检偏器之间插入1/2波长片。
〔3〕转动1/2波长片一周，能看到几次消光.
〔4〕转1/2波长片，并在"
出光〞一侧观察直至出现消光现象。
记下此时1/2波长片与检偏器的角度值。
〔5〕转动1/2波长片，其角度α
=15°
，此时，消光被破坏，在转动检偏器至消光位置，再记下此时1/2波长片与检偏器的角度值。
〔6〕继续进展类似的调节，使得1/2波长片转过的角度依次为30°
，45°
，60°
，75°
和90°
，相应的调节检偏器至消光位置，记下此时的角度值。
将以上所记角度值填入表3-10中。
表3-10线偏振光通过1/2波片的数据记录
1/2波长片转动
检偏器P
的α角度值
起始位置角度值
转至消光位置角度值
检偏器转过的角度值
15
30
45
60
75
90
从上面实验结果可以得出什么规律.怎样解释这一规律。
【数据处理】
〔1〕数据表格自拟。
〔2〕在坐标纸上描绘出Ip～cos2关系曲线。
〔3〕求出布儒斯特角，并由公式〔3-51〕求出平板玻璃的相对折射率。
〔4〕由公式〔3-55〕求出20°
时椭圆偏振光的长、短轴之比，并以理论值为准求出相对误差。
【思考题】
1．如何应用光的偏振现象说明光的横波特性.怎样区别自然光和偏振光.
2．玻璃平板在布儒斯特角的位置上时，反射光束是什么偏振光.它的振动是在平行于入射面还是在垂直于入射面.
3．波片与P1的夹角为何值时产生圆偏振光.为什么.
4．两片偏振片用支架安置于光具座上，正交后消光，一片不动，另一片的2个外表旋转180°
，会有什么现象.如有出射光，是什么原因.
5．2片正交偏振片中间再插入一偏振片会有什么现象.怎样解释.
6．波片的厚度与光源的波长什么关系.
附：
光学实验中常用光源
能够发光的物体统称为光源。
实验室中常用的是将电能转换为光能的光源—电光源。
常见的有热辐射光源和气体放电光源及激光光源3类。
1．热辐射光源
常用的热辐射光源是白炽灯。
普通灯泡就是白炽灯，可作白色光源，应按仪器要求和灯泡上指定的电压使用，如光具座、分光计、读数显微镜等。
2．气体放电光源
实验室常用的钠灯和汞灯〔又称水银灯〕可作为单色光源，它们的工作原理都是以金属Na或Hg蒸汽在强电场中发生的游离放电现象为根底的弧光放电灯。
在220V额定电压下，低压钠灯发出波长为589.0nm和589.6nm的两种单色黄光最强，可达85%，而其他几种波长为818.0nm和819.1nm等的光仅有15%。
所以，在一般应用时取589.0nm和589.6nm的平均值589.3nm作为钠光灯的波长值。
汞灯可按其气压的上下，分为低压汞灯、高压汞灯和超高压汞灯。
低压汞灯最为常用，其电源电压与管端工作电压分别为220V和20V，正常点燃时发出青紫色光，其中主要包括7种可见的单色光，它们的波长分别是612.35nm〔红〕、579.07nm和576.96nm〔黄〕、546.07nm〔绿〕、491.60nm〔蓝绿〕、435.84nm〔蓝紫〕、404.66nm〔紫〕。
使用钠灯和汞灯时，灯管必须与一定规格的镇流器〔限流器〕串联后才能接到电源上去，以稳定工作电流。
钠灯和汞灯点燃后一般要预热3～4分钟才能正常工作，熄灭后也需冷却3～4分钟后，方可重新开启。
3．激光光源
激光是20世纪60年代诞生的源。
激光〔Laser〕是"
受激辐射光放大〞的简称。
它具有发光强度大、方向性好、单色性强和相干性好等优点。
激光器是产生激光的装置，它的种类很多，如氦氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、红宝石激光器等。
实验室中常用的激光器是氦氖〔He-Ne〕激光器。
它由激光工作的氦氖混合气体、鼓励装置和光学谐振腔3局部组成。
氦氖激光器发出的光波波长为632.8nm，输出功率在几毫瓦到十几毫瓦之间，多数氦氖激光管的管长为200～300mm，两端所加高压是由倍压整流或开关电源产生，电压高达1500～8000V，操作时应严防触摸，以免造成触电事故。
由于激光束输出的能量集中，强度较高，使用时应注意切勿迎着激光束直接用眼睛观看。
目前，气体放电灯的供电电源广泛采用电子整流器，这种整流器部由开关电源
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