偏振光實(shí)驗(yàn)

1、自然光與偏振光

麥克斯韋指出光波是一種電磁波，電磁波是橫波。由于光與物質(zhì)相互作用過(guò)程中反應(yīng)比較明顯的是電矢量E，故此，常用E表征光波振動(dòng)矢量，簡(jiǎn)稱光矢量。一般光源發(fā)射的光波，其光矢量在垂直于傳播方向上的各向分布幾率相等，這種光就稱為自然光。光矢量在垂直于傳播方向上有規(guī)則變化則體現(xiàn)了光波的偏振特性。如果光矢量方向不變，大小隨相位變化，這時(shí)在垂直于光波傳播方向的平面上光矢量端點(diǎn)軌跡是一直線，則稱此光為線偏振光(平面偏振光)，光矢量與傳播方向構(gòu)成的平面叫振動(dòng)面如圖1(a)。圖1(b)是線偏振光的圖示法，其中短線表示光矢量平行于紙面，圓點(diǎn)表示光矢量與紙面垂直。如果其光矢量是隨時(shí)間作有規(guī)律的改變，光矢量的末端在垂直于傳播方向的平面上的軌跡是圓或者橢圓，這樣的光相應(yīng)的被稱為圓偏振光或者橢圓偏振光，如圖1(c)。 介于偏振光和自然光之間的還有一種叫部分偏振光，其光矢量在某一確定方向上最強(qiáng)，亦即有更多的光矢量趨于該方向，如圖1(d)。任一偏振光都可以用兩個(gè)振動(dòng)方向互相垂直，相位有關(guān)聯(lián)的線偏振光來(lái)表示。

2、雙折射現(xiàn)象

當(dāng)一束光入射到光學(xué)各向異性的介質(zhì)時(shí)，折射光往往有兩束，這種現(xiàn)象稱為雙折射。冰洲石(方解石)就是典型的雙折射晶體，如通過(guò)它觀察物體可以看到兩個(gè)像。當(dāng)一束激光正入射于冰洲石時(shí)，若表面已拋光則將有兩束光出射，其中一束光不偏折，即o光，它遵守通常的折射定律，稱為尋常光。另一束發(fā)生了偏折，即e光，它不遵守通常的折射定律，稱為非常光。用偏振片檢查可以發(fā)現(xiàn)，這兩束光都是線偏振光，但其振動(dòng)方向不同，其兩束光的光矢量近于垂直。晶體中可以找到一個(gè)特殊方向，在這個(gè)方向上無(wú)雙折射現(xiàn)象，這個(gè)方向稱為晶體的光軸，也就是說(shuō)在光軸方向o光和e光的傳播速度、折射率是相等的。此處特別強(qiáng)調(diào)光軸是一個(gè)方向，不是一條直線。只有一個(gè)光軸的晶體稱為單軸晶體，如冰洲石，石英，紅寶石，冰等，其中又分為負(fù)晶體(o光折射率大于e光折射率，即no>ne)和正晶體(no<ne)。有一些晶體有二個(gè)光軸方向，此種晶體稱為雙軸晶體，如云母、藍(lán)寶石、橄欖石、硫磺等。

3、二向色性

光在某些晶體中傳播時(shí)，晶體對(duì)o光和e光的吸收是不一樣的，此特性稱為二向色性。例如電氣石的礦石晶體，對(duì)o光有強(qiáng)烈的吸收作用，而對(duì)e光則吸收很少。當(dāng)自然光通過(guò)電氣石晶片時(shí)，在很短的路程中o光就被全部吸收，因此通過(guò)的光是與晶體內(nèi)e光相應(yīng)的線偏振光，利用這一性質(zhì)可以用來(lái)產(chǎn)生線偏振光。

4、起偏和檢偏

根據(jù)晶體的二向色性，可制作偏振片(定義:偏振片允許透過(guò)的光矢量方向?yàn)槠渫腹廨S)，它能將自然光變?yōu)榫€偏振光，此時(shí)偏振片稱為起偏器;當(dāng)偏振片用于檢驗(yàn)偏振光的狀態(tài)時(shí)，稱為檢偏器。

5、馬呂斯定律

1808年，馬呂斯實(shí)驗(yàn)中指出，強(qiáng)度為Io的線偏振光透過(guò)偏振片后，透射光的強(qiáng)度為:

I=I0cosq (1)

式中，q是兩個(gè)偏振片透光軸之間的夾角，第1個(gè)偏振片用于將光源變?yōu)榫€偏振光，第2個(gè)則是用于檢偏。顯然兩個(gè)偏振片平行放置，透過(guò)的光強(qiáng)最大;垂直時(shí)，處于消光狀態(tài)。

6、波片-位相延遲器

波片也稱位相延遲器，是由雙折射晶體制成的平板狀光學(xué)元件，其厚度為d且光軸平行于表面。當(dāng)一束單色平行自然光正入射到波晶片上時(shí)，光在晶體內(nèi)部便分解為o光與e光。o光電矢量垂直于光軸;e光電矢量平行于光軸。o光和e光的傳播方向不變，但由于傳播速度不同，兩束光的相位差可表示為，

d=2p(no-ne)d/l (2)

式中l(wèi)為光波在真空中的波長(zhǎng)。通過(guò)調(diào)節(jié)雙折射晶體的厚度，可以制作不同的波片，如下

1/4波片:d=±(2k+1)p/2 (k=1，2，3……)

1/2波片:d=±(2k+1)p (k=1，2，3……)

全波片:d=±2kp (k=1，2，3……)

一般來(lái)說(shuō)，不論是任何波片都是相對(duì)一定波長(zhǎng)而言。假如選擇不同波長(zhǎng)的光源，需要采用消色差波片，它是由幾層不同的聚合物或晶體精確對(duì)準(zhǔn)層疊而成的，其優(yōu)點(diǎn)是在一定的帶寬之內(nèi)延遲量對(duì)波長(zhǎng)的變化不敏感。波片按材料分，常見的有各種晶體波片，和聚合物波片，液晶波片。常用的晶體包括云母，方解石，石英等。另外液晶波片(液晶相位延遲器)是一種新型的可控相位延遲器，通過(guò)控制加在液晶兩邊的電壓，可以改變液晶的雙折射系數(shù)，從而改變通過(guò)液晶波片光的相位差。

本實(shí)驗(yàn)中采用云母波片，其適用的波長(zhǎng)為632.8nm。

(1)當(dāng)線偏振光通過(guò)全波片時(shí)，其偏振態(tài)不變;

(2)當(dāng)線偏振光通過(guò)半波片時(shí)，仍然為線偏振光，但其光矢量的振動(dòng)面轉(zhuǎn)動(dòng)了2q;

(3)當(dāng)線偏振光通過(guò)1/4波片時(shí)，變?yōu)闄E圓偏振光，當(dāng)偏振片的透光軸與波片光軸夾角為45時(shí)，為圓偏振光。

7、橢圓偏振光通過(guò)檢偏器后的光強(qiáng)

我們以圖2為例說(shuō)明橢圓偏振光通過(guò)檢偏器后的光強(qiáng)變化。如圖P1為起偏器，C為1/4波片，P2為檢偏器。當(dāng)一束光通過(guò)P1后，變?yōu)榫€偏振光，其振幅為A，當(dāng)P1透光軸與C光軸夾角q不為0, 45, 90時(shí)，通過(guò)波片C后即為橢圓偏振光。波片C是雙折射晶體，分解為o光和e光，其振幅分別為:Ao=Asinq，Ae=Acosq，這里，Ao和Ae會(huì)產(chǎn)生相位差d。當(dāng)o光和e光通過(guò)檢偏器P2時(shí)，顯然只有與P2透光軸平行的分量才能通過(guò)。設(shè)P2透光軸與C光軸夾角為j，則o光和e光通過(guò)P2后的振幅為，

Aee=Aecosj=Acosqcosj (3)

Aoe=Aosinj=Asinqsinj (4)

這里需注意，Aee和Aoe反向，故兩者的相位差除了p/2，還要附加一個(gè)相位差p。這兩束光的方向和頻率相同，相位差恒定，合成之后的振幅為，

A2=(Aee+Aoe+2AeeAoecosd￠) (d￠=3/2 pT cosd￠=0) (5)

光強(qiáng)為I= Aee+Aoe= A (cosq cosj+ sinqsinj)

(1)觀察激光光源的偏振態(tài)

要求:光源等高傳播，與偏振片、光電探測(cè)器同軸(通過(guò)其中心)，正入射，旋轉(zhuǎn)偏振片，每隔10記錄光強(qiáng)，旋轉(zhuǎn)一周，極坐標(biāo)作圖光強(qiáng)I與角度的關(guān)系(I-q)，推薦origin軟件。

(2)驗(yàn)證馬呂斯定律，研究透過(guò)兩偏振器后的光強(qiáng)I與它們透光軸間夾角q的關(guān)系

要求:光源等高傳播，與兩個(gè)偏振片P1P2、光電探測(cè)器同軸，正入射，旋轉(zhuǎn)P2，觀察光強(qiáng)變化及隨角度變化的對(duì)稱性，優(yōu)化光路后，每隔10記錄光強(qiáng)，，旋轉(zhuǎn)一周，極坐標(biāo)作圖I-q，直角坐標(biāo)作圖I-cosq。

(3)判別1/4波片與1/2波片，寫出依據(jù)。

要求:測(cè)量當(dāng)線偏陣光通過(guò)1/2波片后，其透光軸變化的角度，至少測(cè)量5組數(shù)據(jù)，根據(jù)原理自行設(shè)計(jì)。

(4)通過(guò)1/4波片產(chǎn)生圓偏振光，優(yōu)化光學(xué)元件的調(diào)節(jié)，記錄結(jié)果。

要求:光源等高傳播，與兩個(gè)偏振片P1P2、1/4波片、光電探測(cè)器同軸，正入射。

程序:P1與P2正交，保持消光狀態(tài);在中間插入1/4波片，轉(zhuǎn)動(dòng)波片使得光強(qiáng)最小(消光狀態(tài))，再轉(zhuǎn)動(dòng)波片45;旋轉(zhuǎn)P2觀察光強(qiáng)變化范圍;優(yōu)化調(diào)節(jié)，盡量使得P1、P2、波片接近平行狀態(tài)，觀察光強(qiáng)變化范圍(調(diào)到你認(rèn)為較好的狀態(tài));旋轉(zhuǎn)P2一周，每隔10記錄光強(qiáng)，極坐標(biāo)作圖I-q的關(guān)系。

(5)測(cè)量橢圓偏振光通過(guò)檢偏器的光強(qiáng)

根據(jù)原理自行設(shè)計(jì)，極坐標(biāo)作圖I-j的關(guān)系，與理論公式比較。

1. 觀察光的偏振現(xiàn)象，加深對(duì)其規(guī)律認(rèn)識(shí)。

2. 了解產(chǎn)生和檢驗(yàn)偏振光的光學(xué)元件及光電探測(cè)器的工作原理。

3. 掌握一些光的偏振態(tài)(自然光、線偏振光、部分偏振光、橢圓偏振光、圓偏振光)的鑒別方法以及相互的轉(zhuǎn)化。

1. 光學(xué)面包板(600′600′80mm)、He-Ne激光器、光電探測(cè)器及探頭;

2. 光學(xué)調(diào)整架，桿架、接桿、桿架底座、叉式壓板;

3. 光學(xué)元件:偏振片、1/4波片、1/2波片。

楊曉雪等，大學(xué)物理，華中科技大學(xué)出版社出版，2010年8月

熊永紅等，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，科學(xué)出版社出版，2007年8月