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。

  1. :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<π/4时,椭圆的长轴和短轴分别为E和E0。

当θ=π/4时,E0=Ee,此时为圆偏振光。

如果波片是λ/2波片(如图8所示)。

E和E0的相位差等于π,光矢量端点方向始终在一条直线上,透过波片后仍然是线偏振光。

由于相位差π的存在(相当于E0的方向不变,Ee的方向反向),偏振方向相当于原偏振方向旋转2θ角

八、实验总结与思考题

思考题:

  1. 什么是左旋光和右旋光?
  2. 查阅资料,简述正晶体波片和负晶体波片的区别。

  1. 物理学中定义: 迎着光线方向看, 凡电矢量顺时针旋转的称右旋偏振光, 凡逆时针旋转的称左旋偏振光。
  2. 正晶体,以石英为代表ve<vo,即e光的波面是长椭球,这类晶体叫做正晶体。

负晶体是单轴晶体种类之一。

指在垂直光轴方向,o光的光速总小于e光的光速的晶体。此方向e光的折射率小于o光的折射率。

(by 归忆)

Logo

开放原子开发者工作坊旨在鼓励更多人参与开源活动,与志同道合的开发者们相互交流开发经验、分享开发心得、获取前沿技术趋势。工作坊有多种形式的开发者活动,如meetup、训练营等,主打技术交流,干货满满,真诚地邀请各位开发者共同参与!

更多推荐