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1、吉林大学大学物理实验 偏振光的研究实验实验2.17偏振光的研究 光的偏振性证明了光是横波，人们通过对光的偏振性质的研究，更深刻地认识了光的传播规律和光与物质的相互作用规律。目前，偏振光的应用已遍及工农业、医学、国防等部门。利用偏振光装置的各种精密仪器，已为科研、工程设计、生产技术的检验等，提供了极有价值的方法。 一、实验目的 1、观察和理解光的偏振现象。 2、掌握产生和检验偏振光的方法。 3、验证马吕斯定律和布鲁斯特定律。 4、用1/4波片产生并检验椭圆偏振光和圆偏振光。 二、实验原理 由于光波是横波，所以光矢量总是与光的传播方向垂直。在与传播方向垂直的平面内，光矢量可能有各种不同的振动状态，
2、我们称之为光的偏振态。最常见的光的偏振态有：自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。 1.马吕斯定律 从自然光获得偏振光的过程叫起偏。起偏的最简单方法是让自然光通过一块偏振片，其透过的光就成为线偏振光，这块偏振片叫起偏器。 使用另一块偏振片来检验偏振光，用来检验偏振光的装置称为检偏器。如果检偏器的偏振化方向与起偏器的偏振化方向相同，则透过的光强最大。如果把检偏器转过90，则透射光强为零。对于检偏器与起偏器的偏振化方向的夹角为任意角度，若入射到检偏器上的线偏振光强度为I0，出射的光强为I，由于光强与振幅平方成正比，透射光强为 2(Acoas)I0 =co2sa 2I0A0或者写成 I
3、 = I0cos2a (2.17-1) 上式为马吕斯定律。 2 布儒斯特定律 自然光在两种各向同性介质的分界面上反射和折射时，反射光和折射光都成为部分偏振光，不过反射光中垂直于入射面的振动(简称垂直振动)较强；而折射光中平行于入射面的振动(简称平行振动)较强。如图2.17-1所示。 图2.17-1 自然光反射和折射后产生部分偏振光 图2.17-2 起偏振角 当入射角等于某一特定值i0时，反射光是光振动垂直于入射面的线偏振光，如图2.17-2所示。这个特定的入射角i0叫做布儒斯特角。 并且 ntani0=2=n21 (2.17-2) n1式中, n21=n2/n1为介质2对介质1的相对折射率。这
4、一规律称为布儒斯特定律。 3. 波片 表面与光轴平行的晶体薄片称为波片，波片通常是用方解石或石英等单轴晶体按需要的厚度切割而成的。当平行光垂直入射晶面时，从波片射出的e光和o光不会分开，但两者有一定的相位差。设波片的厚度为d，e光和o光的主折射率分别为ne和n0，则两光束从波片射出后的相位差可表示为 Dj=2pl(n0-ne)d 由此可见，改变波片的厚度d，可以获得两光束之间的不同相位差。 若波片的厚度d使o光和e光产生p2的相位差，此波片称为该波长的1/4波片。同样，若波片的厚度d使o光和e光产生p的相位差，此波片称为该波长的1/2波片或半波片。 椭圆偏振光和圆偏振光可以看成是两个相互垂直的
5、线偏振光的合成。这两个相互垂直的线偏振光可表示为 Ex=A1coswtEy=A2cos(wt+j) 式中j0、p。分析表明：当sinj0时，迎着光的传播方向观察，光矢量端点沿顺时针方向旋转，称为右旋椭圆偏振光。当sinj0时，迎着光的传播方向观察，光矢量的端点沿逆时针方向旋转，称为左旋椭圆偏振光。当j=0，p时，椭圆偏振光退化为线偏振光。如果A1=A2，当j=p2时，对应于右旋圆偏振光，当j=-p2时，对应于左旋圆偏振光。 反过来，对于线偏振光，由于它可以分解为分别沿o光、e光方向，相位相同的两个线振动，若经过1/4波片后，这两个振动相位差为p2，所以多数情形下出射的是椭圆偏振光，在特殊情形下
6、也可能是圆偏振光或线偏振光。 三、实验仪器 实验仪器包括：半导体激光器，起偏器，检偏器，1/2 ，1/4 波片，光电探测器，检流计等，上述实验部件均可放置在两只可以旋转的支臂上，样品放置在旋转载物台上。旋转载物台和支臂可单独旋转也可联动。光源为半导体激光器，波长650nm。起偏器和检偏器为格兰棱镜。检测用样品为有机玻璃板。 四、实验内容与要求 1. 验证马吕斯定律 将半导体激光器放置于支臂的一端，使支臂和读数外圆盘固定。调整激光光束的出射方向，使之平行于该支臂。利用自准法，调整载物台中心轴垂直于入射光。 依次放置起偏器、检偏器和光电探测器。调整各光学元件同轴等高。旋转起偏器使检流计示数为最小值
7、。 旋转检偏器，使起偏器与检偏器偏振化方向之间的夹角分别为q=0o,30o,45o,60o和90o时，记录输出光强I。自拟表格并记录数据。 2. 根据布鲁斯特定律，测定有机玻璃样品的折射率 去掉检偏器，将光电探测器移至另一支臂上。将待测有机玻璃样品放置在载物台上，使样品反射面中央部分恰好位于载物台的旋转中心。实验光路图如图2.17-3所示。 调整样品使入射角在50和60之间，旋转起偏器，找到输出光强最小的位置。此时入射到样品表面的偏振光振动方向恰好平行于入射面。 旋转载物台，改变入射角，同时旋转动臂，由光电探测器测量反射光强度。入射角由10开始每隔5或10读一次光强I值，直到入射角q为85止。
8、在布鲁斯特角附近应多测几组数据。自拟表格并记录数据。 oooooo图2.17-3测定有机玻璃样品的折射率光路图 3. 椭圆、圆偏振光的获得与检验 在起偏器与检偏器中间置入1/2波片，改变检偏器的方位，光电流示值的变化将反映出经过1/2波片的出射光仍为平面偏振光，但振动方向与1/2 波片的方位相关。旋转检偏器进行检验，观察并记录光强的变化规律。 在起偏器与检偏器之间置入1/4波片，出射光为椭圆偏振光， 当1/4波片光轴与入射偏振平面夹角为45时，出射光变为圆偏振光。旋转检偏器，观察并记录光强的变化规律。 在起偏器与检偏器之间置入两片1/4波片，旋转检偏器，观察并记录光强的变化规律。 五、数据处理 1. 根据实验内容1实测结果，用坐标纸做出Icos2q 曲线，验证马吕斯定律。 2. 根据实验内容2实测结果，绘出Iq 曲线，确定布鲁斯特角，并根据布鲁斯特定律算出折射率。 3. 分析实验内容3的结果。 六、思考题 1、有四束光它们的偏振态分别是: 线偏振光圆偏振光椭圆偏振光和自然光怎样鉴别它们？ 2、本实验中的偏振片，其透光轴方向均未标定，你能确定它们的透光轴方向吗？
