【深圳大学大物实验】偏振光的观察与研究 |
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一、实验目的
1. 了解光的横波性; 2. 了解光的几种偏振态; 3. 掌握起偏检偏的方法,验证马吕斯定律; 4. 研究1/4和1/2波片对偏振光的影响 二、实验原理光是电磁波,电磁波是横波,横波具有一个纵波没有的特性—偏振 偏振光:自然光经过反射、吸收、折射后,可能会只保留某一方向的光振动或振动 在某一方向较强,即偏振光。 :线偏振光:振动只在某一方向上。(2)部分偏振光:振动在某一方向上比其他方向较强。部分偏振光可分解为两束振 动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光。 偏振片有一个特定的方向(偏振化方向),只让平行与该方向的振动通过。 起偏:光通过偏振片后变成偏振光。 自然光经过偏振片后光强变为原来的一半,振动方向和偏振片的偏振化方向相同。 检偏:完全偏振光经过偏振片后,光强随偏振化方向不同而变化 马吕斯定律: 自然光在电介质界面上反射和折射时,一般情况下反射光和折射光都是部分偏振光,当入射角为某特定角时,反射光是线偏振光,其振动方向与入射面垂直,此特定角称为布儒斯特角或起偏角,用ib表示。此规律称为布儒斯特定律。光以布儒斯特角入射时,反射光与折射光互相垂直。 将一束平面偏振光垂直入射到具有双折射的晶片上,光波被分成两束振动方向互相垂直的平面偏振光,其中一束比另一束较快地通过晶体,当射出晶片时,两束光波产生一个相位差。 波片:能使相互垂直的两振动分量间产生附加光程差(相位差)的光学元件。 通常由具有精确厚度的石英、方解石等双折射晶片制成。 相位差是利用不同偏振方向的光在晶体中的传播速度不同来实现的。 传播速度较大的振动方向成为快轴,传播速度较小的振动方向称为慢轴(o光和e光取决于晶体类型)。 产生偏振光的常用方式: 1. 光在界面的反射和透射:根据布儒斯特定律,入射角为一特定值时,反射光为完全线偏振光,折射光为部分偏振光。 2. 光学棱镜:利于晶体的双折射原理得到的o光和e光是完全偏振光。 3. 采用偏振片作为起偏器产生偏振光。本实验中采用偏振片作为起偏器和检偏器。 三、实验仪器光源、偏振片、1/4波片、1/2波片、光屏 四、实验内容4.1马吕斯定律的验证 1. 移去实验台上的波片,保留两个偏振片,并使两偏振片的角度都设为0; 2. 打开光源,选择自然光;双击屏幕,记下此时的光强的值; 表1 4.2 研究λ/4波片对偏振光的影响 表2 4.3 研究λ/2波片对偏振光的影响 实验内容选“研究λ/2波片对偏振光的影响”,重复“研究λ/4波 片对偏振光的影响”的步骤 ,记入表3。 表3 五、数据记录如前面所示。 六、数据处理图1 光强I与φ的关系 图2 光强I与cos(φ)的关系 图3 光强I与cos(φ)^2的关系 由图1、图2、图3验证了线偏振光经过检偏器后的光强遵循的关系 即验证了马吕斯定律。 图4 线偏振光经λ/4波片后的影响
图5 线偏振光经λ/2波片后的影响 由图4可知,线偏振光经过λ/4波片后的情况与波片的角度有关。 如果波片的角度为0,则通过λ/4波片的光为线偏振光; 如果λ/4波片的角度不为0,经过波片后的光不再是线偏振光,因为经检偏器旋转一周过程中的光强最小值不为0。 由图5可知,线偏振光经过λ/2波片后还是线偏振光。当λ/2波片转动θ角时, 线偏振光的偏振方向转动2θ。 七、结果陈述图6 波片的o轴与偏振方向平行 图7 λ/4波片旋转θ角 图8 λ/2波片旋转θ角 上图坐标轴表示波片的o轴和e轴,红色箭头表示入射线偏振光的振动方向,实 验中起偏器的设置不变。 图7和图8中的绿色箭头表示偏振光经过波片后的偏振状态。 当波片的快轴平行于偏振方向时(如图5所示), 由于偏振方向在e轴的投影为零,光没有分量被延迟, 因此经过检偏器后的光强分布保持不变,此情况与不放波片结果一样。 波片旋转θ角后,入射光的光矢量方向在o轴和e轴的投影的大小 分别为 如果波片是λ/4波片(如图7所示)。E和E0的相位差等于π/2,则经波片光矢量端点描出的是一个椭圆,透过波片后为椭圆偏振光。 当θ |
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