实验三十观察光的偏振现象实验报告_精品文档.pdf
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2012201220122012年年年年10101010月月月月24242424日日日日一、目的要求
(1)验证布儒斯特定律;
(2)观察双折射现象;(3)产生和观察光的偏振状态;(4)了解产生与检验偏振光的元件和仪器;(5)掌握产生与检验偏振光的条件和方法。
二、实验原理光的偏振现象清楚地显示了光的横波性。
最常见的光有五种偏振态,即线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、自然光和部分偏振光。
其中线偏振光和圆偏振光又可看作椭圆偏振光的特例。
椭圆偏振光可视为两个同一方向z传播的振动方向互相垂直的线偏振光的合成:
()()+=kztAEkztAEyyxxcoscos(30.1)式中:
A为振幅;为二光波的圆频率;t为时间;k为波矢的数值;为两波的相对相位差。
合成矢量E的端点在波面内描绘的轨迹为一椭圆。
椭圆的形状、取向和旋转方向由yxAA,和决定。
当yxAA=及2=时,椭圆偏振光变为圆偏振光;当=,0或者0=xA时,椭圆偏振光变为线偏振光。
=220202022
(一)布儒斯特角在特定的入射角即布儒斯特角B入射时,不管入射光的偏振状态如何,反射光将成为线偏振光,其电矢量垂直于入射面。
若光由空气入射到折射率为yxAxAyEyExE图30-1椭圆偏振光的分解左旋右旋图30-2相位对偏振态的影响)5.1(n的玻璃平面上,则57arctan=nB。
(二)偏振片利用晶体的二向色性制作偏振片。
自然光经过偏振片,其透射光基本上变为线偏振光,这种偏振片既可以做光的起偏器也可以作为光的检偏器。
(三)波晶片一束光在晶体内传播时被分成为两束折射程度不同的光束,这种现象叫做光的双折射。
能够产生双折射的晶体叫双折射晶体。
实验发现,晶体内一束折射光线符合折射定律,叫做寻常光(o光),而另一束折射光线不符合折射定律,故叫它为非寻常光(e光)。
实验还发现晶体内有一特殊方向,一束光沿这个方向传播时不会发生双折射,这个方向称为晶体的光轴。
只有一个光轴方向的晶体叫做单轴晶体。
当一束单色平行自然光正入射到波晶片上,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。
设晶片的厚度为l,则两束光通过晶片后就有相位差()lnneo=2(30.2)式中:
为光波在真空中的波长。
k2=的晶片,称为全波片;+=k2者为半波片(2/片);2/2+=k者为4/片。
上面的k都是任意整数。
(四)通过波晶片的光的偏振态变化偏振光通过波晶片,一般其偏振态都要变化。
(五)2/片与偏振光若入射光为线偏振光正入射于2/片,在2/片的前表面分解为()+=tAEtAEooeecoscos,0=出射光表示为空气玻璃B图30-3布儒斯特角示意图。
.oeACDB图30-4双折射示意图+=lntAElntAEoooeee2cos2cos(30.3)上式可写为()+=tAEtAEooeecoscos=(30.4)出射光的两个正交分量的相对相位差由()决定。
现在=00(30.5)这说明出射光也是线偏振光,但其振动方向与入射光的振动方向不同。
若E入与波晶片光轴成角,则E出与光轴成角。
即线偏振光经2/片电矢量振动方向转过了2角。
(六)4/片与偏振光当偏振光正入射于4/片,仿照上述的分析,可得出射光为()+=tAEtAEooeecoscos2/=(30.6)若入射光为线偏振光:
0=,式(30.6)代表一正椭圆偏振光。
当oeAA=,出射光为圆偏振光。
三、实验内容与记录1、用偏振光镜验证布儒斯特定律Aoe入射光设=0AoAe图30-5线偏振光入射1/2玻片前的偏振方向oe-Ao-Ae出射光设=0图30-6出射后的偏振方向偏振光镜构造如图30-7所示,玻璃片P可绕水平轴y转动,玻璃片堆A可分别绕水平轴y及竖直轴z转动,相应的转角可由刻度盘(未画出)读出。
平台T上可放置待观察的样品。
Q是一个环形平台。
zyyAQTP图30-7偏振光镜示意图调节P使之与z轴成33角。
改变激光管S的仰角并移动S的位置,使光通过T和Q的中心,沿z轴投射于A(图30-8)。
使光以布儒斯特角57入射于P,其反射光为线偏振光。
在此基础上进行下面实验。
先使AP,绕z轴转A,观察A的反射光强度变化,并简要解释之。
【实验现象与分析】A绕z轴转360的过程中,反射光经历了两次连续的强弱变化的过程,出现了2次消光。
其中在90与270时为消光位,在0和180时光最强。
激光以布儒斯特角B入射于P时,经反射后出射光为线偏振光。
当AP(即0)时,A的透偏方向与反射光方向平行,而A转过90或270时,A的透偏方向与反射光方向垂直而消光,所以反射光在A转一周的过程中出现两次交替的强弱变化过程。
zSPA3324图30-8布儒斯特角用,但观察透射光的强度变化,并予以解释。
【实验现象与分析】A绕z轴转360的过程中,透射光也经历了两次连续的强弱变化的过程,也出现了2次消光。
但是在90与270时为光强最强,在0和180时消光。
根据的解释以及能量的守恒定律,可知透射光与反射光变化相反,出现两次弱强的交替变化过程将A绕z轴专指反射光消光位置,然后将A绕y轴转动,观察反射光强度变化。
【实验现象与分析】A绕y轴转动的过程中,反射光的光强由消光位向上下两侧分别增强。
同,但观察透射光的强度变化。
【实验现象与分析】A绕y轴转动的过程中,透射光的光强由消光位向上下两侧分别减弱。
利用P的反射光确定以偏振片的透光方向或用已知透光方向的偏振片确认P的反射光是否为线偏振光。
【实验现象与分析】将某一确定透光方向的偏振片防止在T平台上,可观察到在特定的方向上,光不能透过偏振片,为全消光。
2、观察双折射现象实验装置见图30-9。
12345光轴图30-9双折射1.方解石块2.带圆孔的铝板3.小灯4.方解石块5.垂直于光轴的二磨面以小灯照明铝板上的小孔,孔上放方解石块(负单轴晶体)。
通过它观看小孔,转动方解石,记录所见现象并加以思考。
【实验现象与分析】观察到两个亮孔光斑,其中一个在方解石晶体转动的过程中位置不动,另外一个绕其转动。
o光符合折射定律,故其光斑不随方解石的转动而转动;而e光不符合折射定律,故其光斑随方解石的转动而转动。
将方解石块放在小孔上(磨面压小孔),作同样的观察。
【实验现象与分析】观察到磨面中心有一个光斑且不动。
周围的三个面上各有两个光斑,随着方解石的转动而转动。
说明该磨面垂直于光轴,沿光轴方向入射的光不会分解成o光和e光两束光,故只看到一个光斑。
利用一透光方向已知的偏振片,判断寻常光与非寻常光电矢量的振动方向,记录并解释之。
【实验现象与分析】旋转偏振片。
当一个光斑消光时,记录偏振片的读数为24,另一个光斑消光时,记录偏振片的读数为112,故o光和e光的电矢量振动方向成88角(接近90角)。
理论表明,o光电矢量垂直于光轴,e光电矢量平行于光轴。
3、观察线偏振光通过2/片后的现象实验装置见图30-10,P,A为偏振片,C为2/片。
了解偏振片P、A的作用,在观察者与光源S之间放入偏振片P,旋转P,看透射光的强度有无变化,再放上检偏器A,转A,观察光透过A的强度怎样变化。
【实验现象与分析】只放入偏振片P,旋转P,透射光的强度并无变化。
因为此时虽然已经产生线偏振光,但是旋转P并不影响人眼对线偏振光的接收,所以光强无变化。
再放SPCA眼图30-10波晶片实验装置上检偏器A,会发现A转动过程中透射光强度的强弱连续变化。
A转到某一位置时会发生效果,这是两个偏振片P、A的透偏方向垂直的结果。
使P的透光方向竖直,转A达到消光,在P、A之间插入2/片,将2/片转动360,能看到几次消光,试加以解释。
【实验现象与分析】转动2/片过程中会出现4次消光,这是因为光线通过起偏器P后的偏振方向若与2/波晶片的o轴或e轴平行,则2/片相当于失效,通过偏振片A后会发生消光,所以在转动360的过程中,每转动90发生一次消光。
把2/片任意转动一角度,破坏消光现象。
再将A转动360,又能看到几次消光?
【实验现象与分析】转动A的过程中会出现2次消光。
这是因为当A的透偏方向与通过2/片后的透射光的偏振方向垂直时,就会发生消光。
A旋转360过程中每转动180发生一次消光。
仍使P的透光方向竖直,P、A正交,插入2/片,转至消光(此时2/片的e轴或o轴以及P的透光方向都沿着竖直方向)。
此时P和2/片位置对应角度0=,保持2/片不动,使P转15=,破坏消光,在沿与转P相反的方向转A至消光位置,记录A的角度,依次使90,75,60,45,30=(值是相对P的起始位置而言),转A到消光位置,记录相应的角度(表30-1)。
表30-12/片转动影响偏振态的观察记录线偏振光经2/片后振动方向转过的角度0285152701530302533262452384792602265911975211741499019491181从上面实验结果能总结出什么规律?
【实验现象与分析】测量结果见表30-1.通过对数据初步分析,可以得知2=。
即线偏振光经2/片后振动方向转过的角度是入射光偏振转过角度的两倍。
为使这一结论更佳可信,作者使用Origin软件在坐标轴中对实验数据进行了拟合。
图中底部x轴为P的转动角度,左侧y轴为A的转动角度,右侧y轴为线偏振光经2/片后振动方向转过的角度。
两条直线几乎重合,相关系数达到999.0以上。
实现了很好的拟合,也证明了2=。
4、用4/片产生椭圆偏振光实验装置见图30-10.P,A为偏振片,C为4/片。
取下2/片,仍使P的透光方向竖直,P、A正交,插入4/片,转至消光。
保持4/片不动,将P转15=,将A转动360,观察光强变化。
依次使90,75,60,45,30=,每次将A转动360,观察光强变化。
根据观察结果画图或者文字说明透过4/片的出射光的偏振状态。
图30-11半波片转动影响偏振态数据分析图表30-24/片转动影响偏振态的观察记录起偏器转动角度A转360观察到的现象光的偏振态2701809000亮消光亮消光15亮暗亮暗30亮较暗亮较暗45光强几乎不变,均亮60较暗亮较暗亮75暗亮暗亮90消光亮消光亮5、检验椭圆偏振光与部分偏振光oeoeoeoeoeoeoe椭圆偏振光的检出如图30-12所示:
SP4/A眼眼4/APS4/()a()b图30-12椭圆偏振光的检出原理图按照第四个实验的方法,使用4/片与两偏振片产生椭圆偏振光,如图30-12(a)。
旋转A,看到透射光光强明暗的连续变化。
找到透射光最亮或最暗的位置,再插入一个4/片,如图30-12(b)。
旋转4/片,使两个4/片的光轴平行。
此时旋转A,出现消光,则说明该偏振光经过4/片后成为线偏振光,从而说明原偏振光为椭圆偏振光。
理论依据参考本实验报告第四页的“4/片与偏振光”。
部分偏振光的检出如图30-13所示:
用玻璃片堆和光源产生部分偏振光,用偏振片A检查,有明暗的规律变化,但是无消光。
使用4/片,旋转A,仍然没有消光现象,则证实其为部分偏振光。
四、思考与讨论对上述两个检出实验的讨论上面的检出实验有一个明显问题,即我们已知获得的偏振光为椭圆偏振光或者部分偏振光,然后利用其性质进行检出。
在实际中,椭圆偏振光
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