U201610230-李豪-偏振光实验.pdf

偏振光实验 英才1601，李豪、U201610230 一、引言 【实验背景】 麦克斯韦指出光波是一种电磁波，电磁波是横波。由于光与物质相互作用过程中反应比较明 显的是电矢量E，故此，常用E 表征光波振动矢量，简称光矢量。一般光源发射的光波，其光矢量 在垂直于传播方向上的各向分布几率相等，这种光就称为自然光。光矢量在垂直于传播方向上有 规则变化则体现了光波的偏振特性。如果光矢量方向不变，大小随相位变化，这时在垂直于光波 传播方向的平面上光矢量端点轨迹是一直线，则称此光为线偏振光。如果其光矢量是随时间作有 规律的改变，光矢量的末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹是圆或者椭圆，这样的光相应的被 称为圆偏振光或者椭圆偏振光。介于偏振光和自然光之间的还有一种叫部分偏振光，其光矢量在 某一确定方向上最强。 【实验目的】 1. 观察光的偏振现象，加深对其规律认识。 2. 了解产生和检验偏振光的光学元件及光电探测器的工作原理。 3. 掌握光路准直的调节方法，掌握极坐标作图的方法。 4. 掌握一些光的偏振态（自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光）的鉴别方法 以及相互的转化。 二、实验内容与数据处理 【实验原理】 1、自然光与偏振光 光矢量在垂直于传播方向上的各向分布几率相等的光称为自然光。光矢量在垂直于传播方向 上有规则变化的光称为偏振光。偏振光又分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。介于偏振光和 自然光之间的还有一种叫部分偏振光，其光矢量在某一确定方向上最强。 2、双折射现象 当一束光入射到光学各向异性的介质时，折射光往往有两束，这种现象称为双折射。晶体中可以 找到一个特殊方向，在这个方向上无双折射现象，这个方向称为晶体的光轴，也就是说在光轴方 向o 光和e 光的传播速度、折射率是相等的。光轴是一个方向，不是一条直线。只有一个光轴的 晶体称为单轴晶体，其中又分为负晶体（o 光折射率大于e 光折射率，即n n ）和正晶体（n n ）。 o e o e 有一些晶体有二个光轴方向，此种晶体称为双轴晶体。 3、二向色性 光在某些晶体中传播时，晶体对o 光和e 光的吸收是不一样的，此特性称为二向色性。例如电气 石的矿石晶体，对o 光有强烈的吸收作用，而对e 光则吸收很少。当自然光通过电气石晶片时， 在很短的路程中o 光就被全部吸收，因此通过的光是与晶体内e 光相应的线偏振光，利用这一性 质可以用来产生线偏振光。 4、起偏和检偏 根据晶体的二向色性，可制作偏振片（定义：偏振片允许透过的光矢量方向为其透光轴），它能 将自然光变为线偏振光，此时偏振片称为起偏器；当偏振片用于检验偏振光的状态时，称为检偏 器。 5、马吕斯定律 1808 年，马吕斯实验中指出，强度为I 的线偏振光透过偏振片后，透射光的强度为： o 2 I=I cos  0 式中，是两个偏振片透光轴之间的夹角，第1个偏振片用于将光源变为线偏振光，第2 个则是用 于检偏。显然两个偏振片平行放置，透过的光强最大；垂直时，处于消光状态。 6、波片-位相延迟器 波片也称位相延迟器，是由双折射晶体制成的平板状光学元件，其厚度为d 且光轴平行于表面。 当一束单色平行自然光正入射到波晶片上时，光在晶体内部便分解为o 光与e 光。o 光电矢量垂直 于光轴；e 光电矢量平行于光轴。o 光和e 光的传播方向不变，但由于传播速度不同，两束光的相 位差可表示为， =2(n-n )d/ o e 式中为光波在真空中的波长。通过调节双折射晶体的厚度，可以制作不同的波片，如下 1/4 波片：= （2k+1）/2 (k=1，2，3……) 1/2 波片：= （2k+1） (k=1，2，3……) 全波片：=2k (k=1，2，3……) 7、椭圆偏振光通过检偏器后的光强 如图P1 为起偏器，C 为1/4 波片，P2 为检偏器。当一束光通过P1 后，变为线偏振光，其振 o o o 幅为