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实验十 偏振光的观察与研究


实验十
实验目的

偏振光的观察与研究

1.观察光的偏振现象,加深对偏振光的理解。 2.掌握产生和检验偏振光的原理和方法。

实验仪器
氦氖激光器,偏振片(或尼科耳棱镜),半波片, 1/4 波片,硅光电池,灵 敏电流汁,减光板,玻璃片。

实验原理
能使自然光变成偏振光

的装置或器件称为起偏器。 用来检验偏振光的装置或 器件称为检偏器。实际上,能产生偏振光的器件,同样可用作检偏器。 1.平面偏振光的产生 (1)由反射和折射产生偏振 自然光在透明介质(如玻璃)L 反射或折射时,其反射光和折射光为部分偏振 光,当入射角为布儒斯特角(即:入射角满足 tan i = n , n 为透明介质折射率)时 反射光接近于完全偏振光.其偏振面垂直于入射面。

(2) 由二向色性晶体的选择吸收产生偏振.有些晶体(如电气石、人造偏振片) 对两个相互垂直振动矢量具有不同的吸收本领,称为二向色性.当自然光通过二 向色性晶体时,其中一部分的振动几乎被完全吸收,而另一部分的振动几乎没有 损失(图 10-1),因此,透射光就成为平面偏振光.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.但偏振片的缺点是有颜色,光透过率 稍低。 (3) 由晶体双折射产生偏振 当自然光入射于某些各向异性晶体时, 在晶体内折射后分解为两束平面偏振光(o 光、e 光),并以不同的速度在晶体内传播,可用某一方法使两束光分开,除去 其中—束,剩余的—束就是平面偏振光。尼科耳(Nicol)棱镜是这类元件之一(图 10-2)。它由两块经特殊切割的方解石晶体用加拿大树胶粘合而成。偏振面平行 于晶体的主截面的偏振光可以透过尼科耳棱镜。 垂直于主截面的偏振光在胶层上 发生全反射而被除掉。

2.圆偏振光和椭圆偏振光的产生 如图 41-3 所示,当振幅为 A 的平面偏振光垂直入射到表面平行于光轴的双 折射晶片时,若振动方向与晶片光轴的夹角为 α ,则在晶片表面上 o 光和 e 光的 振幅分别为 A sin α 和 A cos α ,它们的位相相同。在晶片中,o 光与 e 光传播方向 相同,由于传播速度不同,经过厚度为 d 的晶片后,o 光与 e 光之间将产生位相 差δ :

δ=



λο

(nο ? n e )d

( 10-1)

其中 λ o 表示光在真空中的波长, n o , n e 分别为晶体中 o 光与 e 光的折射率。

(1) 如果晶片的厚度使产生的位相差 δ =

1 (2k + 1)π ( k = 0,1,2...) ,这样的晶片称 2

为 1/4 波片. 平面偏振光通过 1/4 波片后, 透射光一般是椭圆偏振光, α = 当

π

4

时,则为圆偏振光;当 α = 0 和 π / 2 时,椭圆偏振光退化为平面偏振光。换言之, l/4 波片可将平面偏振光变成椭圆或圆偏振光,也可将椭圆与圆偏振光变成平 面偏振光。 (2)如果晶片的厚度使产生的位相差 δ = ( 2k + 1)π ( k = 0,1,2...) , 这样的晶片称为半 波片。若入射平面偏振光的振动面与半波片光轴的夹角为 α ,则通过半波片后的 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 2α 角。 3.平面偏振光通过检偏器后光强的变化 强度为 I o 的平面偏振光通过检偏器后的光强 I o 为

I θ = I o cos 2 θ
定律,它表示改变角 θ 可以改变透过检偏器的光强。

(10-2)

其中 θ 为平面偏振光偏振面和检偏器主截面的夹角, 上述关系称为马吕斯(Malus)

当起偏器和检偏器的取向使得通过的光量最大时,称它们为平行(此时 θ = 0 )。 当两者的取向使得系统射出的光量最小时,称它们为正交(此时 θ = 90 o ) 4.单色平面偏振光的干涉 如图 10-4(a)所示, 一束自然光经起偏器(尼科耳棱镜或偏振片) N1 后, 变成 振幅为 A 的平面偏振光,再通过晶片 K,射到检偏器 N 2 上。图 10-4(b)表示透 过 N 2 迎着光线观察到的振动情况,其中 N1截面、N 2 截面 及 ZZ ' 分别表示起偏 器的主截面、检偏器的主截面和晶片的光轴在同一平面上的投影,α 和 β 分别为

N 1 N 2 的主截面与晶片的光轴 ZZ ' 的夹角.从晶片透过的两平面偏振光的振幅分
别为: Ao = A sin α , Ae = A cos α (10-3)

它们的位相差为 δ 。穿过 N 2 后,只存在振动平面平行于 N 2 主截面的分量 Aoe 和 Aee ,其大小为

Aoe = Ao sin β = A sin α sin β Aee = Ae cos β = A cos α cos β

(10-4)

图4 可见这两束光是同频率、不等振幅、振动平面在同一平面内的相干光。因此,透 射光的光强 (按双光束干涉的光强计算方法)为
2 2 I 2 = Aoe + Aee + 2 Aoe Aee cos δ = I 1 [cos 2 (α ? β ) ? sin 2α sin 2β sin 2

δ
2

(10-5)

式中 I 1 = A 2 ,它是从起偏器 N1 透射的平面偏振光的光强,从上式可以看出:

π (1) 当 α (或β ) 0, ,或π 时, = 2
I 2 = I 1 cos 2 (α ? β ) (10-6)

即透射光强只与 N 1 N 2 两主截面的交角的余弦平方成正比,和没有晶片时一样。 (2) 当 N 1 N 2 正交时, (α ? β ) =
I 2 = I 1 sin 2 2α sin 2

π
2

,则 (10-7)

δ
2

当 如果晶片是半波片, δ = π , α 等于 则 发生相长干涉;当 α 等于

π
4

I 的奇数倍时, 2 = I 1 , 即有光透过 N 2 ,

π
4

的偶数倍时, I 2 = 0 ,无光透过,发生相消干涉。由

此可见,当半波片旋转一周时,视场内将出现四次消光现象。 (3)当 N 1与N 2 平行时, (α ? β ) = 0 ,于是有
I 2 = I 1 (1 ? sin 2 2α sin 2

δ
2

)

(10-8)

可以看出,这时透过的光强恰与 N1 , N 2 正交时互补。

实验内容

1、偏振片主截面的确定如图 5 所示,将一背面涂黑的玻璃片 G 立在铅直面内, 激光器 L 射出的一细光束沿水平方向入射玻璃片上,G 的反射光为偏振面垂直于 入射面的平面偏振光,使 G 的反射光垂直射入偏振片 N,以反射光的方向为轴旋 转偏振片 N, 从透过光强度的变化和反射光的偏振面, 可以确定偏振片的主截面, 即透过光强极大时偏振片的主截面和反射光的偏振面一致.并 在偏振片上标记其主截画的方向。

2、验证马吕斯定律 如图 6 安置仪器,使激光器 L 射出的光束,穿过起偏器 N1 和检偏器 N 2 射到硅光 电池 Pc 上, N1 , N 2 正交, 使 记录灵敏电流计 G 的示值. 将偏振器每转一角度(10o~ 15o)记录一次.直至转动 90o 为止。重复以上过程几次。 3、考察半波片对偏振光的影响 (1) 使用图 41-6 的装置, 调节 N1 , N 2 为正交, N1 , N 2 间和 N1 平行放置半波片, 在 以光线方向为轴将波片转 360o,记录出现消光的次数和相对应于 N 2 的位置(角 度)。

(2)使 N1 , N 2 正交,半波片的光轴和 N1 的主截面成 α (10o~15o)角,转 N 2 使之 再消光,记录 N 2 位置.改变角,每次增加 10o~15o,同上测量直至 α 等于 90o。 4.椭圆偏振光、圆偏振光的产生与检验 实验装置同上,将半波片换成 1/4 波片。 (1) 使 N1 , N 2 正交,以光线方向为轴将波片转 360o,记录观察到的现象。 (2) 使用起偏器 N1 和 1/4 波片产生椭圆偏振光,旋转检偏器 N 2 观察光强的变 化。记录波片光轴相对 N1 主截面的夹角 α ,以及转动 N 2 光强极大、极小时主截 面与波片光轴的夹角 β , α 取不同值重复观测。 (3) 使用 N1 和 1/4 波片产生圆偏振光,旋转 N 2 进行观测并记录。

思考题
1、强度为 I 的自然光通过偏振片后,其强度 I o < 马吕斯定律是否适用,为什么? 2、怎样才能产生左旋(右旋)椭圆偏振光?
1 I ,为什么?应用偏振片时, 2


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