实验十九 偏振光分析
实验目的
1、观察光的偏振现象,加深对偏振光的了解。 2、掌握产生和检验偏振光的原理和方法。 实验装置(图19-1) 1:He-Ne激光器 3:光栅转台SZ-10 5:平面镜M
7:X轴旋转二维架(SZ-06) 8:偏振片
9:升降调节底座(SZ-03) 10:白屏(SZ-13) 11:升降调节底座(SZ-03)
2:升降调节底座SZ-03
4:升降调节底座SZ-03 6:X轴旋转二维架(SZ-06)5432167891011 图 19-1 非偏振光 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的电矢量具有不同的吸收本领,这种选择吸收性,称为二向色性。当自然光通过二向色性晶体时,其中一成分的振动几乎被完合吸收,而另一成分的振动几乎没有损失(图19-2),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
平面偏振光
图 19-2
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用方便。偏振片的缺点是有颜色,光透过率稍低。
(2)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,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,除去其中一束,剩余的一束就是平面偏振光。尼科耳(Nicol)棱镜是这类元件之一(图19-3)。它由两块经特殊切割的方解石晶体,用加拿大树胶合而成。透过尼科耳棱镜的平面偏振光的偏振面平行于晶体的主截面,垂直于主截面的偏振光被除掉。
AC48o14o14o68oB76oe光90oDo光 图19-3 尼科耳棱镜
2、圆偏振光和椭圆偏振光的产生
如图19-4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?,则在晶片表面上o光和e光的振幅分别为Asin?和Acos?,它们的相位相同。进入晶片后,o光和e光虽然沿同一方向传播,但具有不同的速度。因此,经过厚度为d的晶片后,o光和e光之间将产生相差?
??2?(no?ne)d, ?0
d
光轴 (19-1)
N1AeαAAo起偏器(尼科耳棱镜)晶片图 19-4
式中?0表示光在真空中的波长,no和ne分别为晶体中o光和e光的折射率。
1(2k?1)?,k?0,1,2?,这样的晶片2称为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,当???/4
(1)如果晶片的厚度使产生的相差??时,则为圆偏振光;但当??0和?/2时,椭圆偏振光退化为平面偏振光。
换言之,1/4波片可将平面偏振光变成椭圆偏振光或圆偏振光;反之,它也可将椭圆偏振光或圆偏振光变成平面偏振光。
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(2)如果晶片的厚度使产生的相差??1(2k?1)?,k?0,1,2?,这样的晶片 2称为半波片。如果入射平面偏振光的振动面与半波片光轴的交角为?,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2?角。
3、平面偏振光通过检偏器后光强的变化 强度为I0的平面偏振光通过检偏器后的光强I?为
I??I0cos2?
(19-2)
其中?为平面偏振光偏振面和检验器主截面的夹角,此关系即马吕斯(Malus)定律。它表示改变?角可以改变透过检偏器的光强。
当起偏器和检偏器的取向使得通过的光量极大时,称它们为平行(此时??0)。当二者的取向使系统射出的光量极小时,称它们为正交(此时??90?)。
4、单色平面偏振光的干涉
如图19-5(a)所示,一束自然光经过起偏器(尼科耳棱镜可偏振片)N1,变成振幅为A的平面偏振光,再通过晶片K,射到检偏器(尼科耳棱镜或偏振片)N2上。图19-5(b)表示透过N2迎着光线观察到的振动情况,其中N1、N2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ZZ?的夹角。从晶片透过的两平面偏振光的振幅分别为:
起偏器N1晶片ZK检偏器N2Z'N1(a)N2ZAeeαAoeβAeβZ'(b)图 19-5
(19-3)
Ao?Asin?;Ae?Acos?.
它们的相差为?. 穿过N2后,只存在振动平行于N2主截面的分量Aoe主Aee,其大小为:
Aoe?Aosin??Asin??sin?, Aee?Aecos??Acos??cos?.
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(19-4)
可见这两束光是同频率、不等振幅、振动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
22I2?Aoe?Aee?2AoeAeecos?
??I1[cos2(???)?sin2??sin2??sin2]
2 (19-5)
式中I1?A2,它是从起偏器N1透射的平面偏振光的光强,从(19-5)式可以看出: (1)当?(或?)=0、?/2或?时。
I2?I1cos2(???), (19-6)
即透射光强只与N1、N2两主截面的交角的余弦平方成正比,和不用晶片时一样。
(2)当N1与N2正交时,(???)??/2,则
?I2?I1sin22??sin2
2
(19-7)
如果晶片是半波片,则???,当?等于?/4的奇数倍时,I2?I1,即光透过N2,发生相长干涉;当?等于?/4的偶数倍时,I2?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N1与N2平行时,(???)?0,于是有
?I2?I1(1?sin22??sin2).
2实验内容
1、偏振片主截面的确定
如图19-6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到玻璃片上,其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未免的偏振面,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。
GiLNP图19-6
(19-8)
可以看出,这时透过N2的光强恰与N1、N2正交时互补。
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在偏振片上标记其主截面的方向。 2、验证马吕斯定律
如图19-7安置仪器,使激光器L射出的光束,穿过起偏器N1和检偏器N2射到硅光电池Pc上,使N1N2正交,记录灵敏电流计上的示值。以下将检偏器每转一角度(10-15o)记录一次,直至转动90o为止,应重复几次。
PcN1LN2G 图19-7
自己设计利用这些数据验证马吕斯定律的方案。 3、考查半波片对偏振光的影响
(1)使用图19-7的装置,调N1、N2为正交,在N1N2间和N1平行放置半波片,以光线方向为轴将波片转360o,记录出现消光的次数和N2位置(角度)。
(2)使N1和N2正交,半波片的光轴和N1的主截面成?(10~15o)角,转N2使之再消光,记录N2的位置。改变?角,每次增加10~15o,同上测量直至?等于90o.
说明以上观察的记录。
4、椭圆偏振光、圆偏振光的产生与检验 实验装置同上,将半波片换成为1/4波片。
(1)使N1、N2正交,以光线方向为轴将波片转360o,记录观测的现象。 (2)使用起偏器N1和1/4波片产生椭圆偏振光,旋转检偏计N2观测光强的变化。记录波片光轴相对N1主截面的夹角?,以及转动N2光强极大、极小时N2主截面与波片光轴的夹角?. ?取不同值重复观测。(问:此观察结果和实难内容1的结果有根本区别吗?)
(3)使用N1和1/4波片产生圆偏振光(问:应当怎样安置1/4波片?)旋转N2进行观测并记录。
(4)为了区分椭圆偏振光和部分偏振光、圆偏振光和自然光,要在检偏器前再加一1/4波片去观测。
参照上记(2)、(3)获得椭圆偏振光和圆偏振光,如何获得部分偏振光自己
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偏振光分析
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