偏振现象的观察与分析.ppt

偏振现象的观察与分析,王景聚,实验目的,1.观察光的偏振现象,巩固理论知识. 2.掌握产生与检验偏振光的原理和方法.,仪器及用具,分光计、纳光灯、偏振片、1/4波片、半波片和平面镜等.,原理,光是一种电磁波,它的电矢量E和磁矢量H相互垂直,且均垂直于光的传播方向.通常用电矢量E代表光的振动方向,并将电矢量E和光的传播方向所构成的平面称为该偏振光的振动面.在传播过程中,电矢量的振动方向始终在某一确定方向的光称为平面偏振光或线偏振光.若振动只是在某一确定的方向上占有相对优势,则称为部分偏振光.还有一些光,它的振动面和电矢量随时间作有规律的变化,而电矢量末端在垂直与传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆,这样的光称为椭圆偏振光或圆偏振光.,1.平面偏振光的产生与检验,（1）利用反射（或透射）起偏 自然光在某些非金属（如水、玻璃等）表面上反射时,一般说来,反射光和折射光都是部分偏振光,由布儒斯特定律可知,反射光与折射光偏振化的程度决定于光在空气中的入射角,当,n1,n2,N,反射光为完全偏振光,其振动面与入射面垂直,入射角称为布儒斯特角亦称全偏振角.对于空气的折射率n1=1.00,玻璃的折射率n2=1.50, 布儒斯特角约为 =56.3.,1.平面偏振光的产生与检验,（2）利用晶体的双折射起偏,当自然光入射到某些各向异性晶体（如冰洲石、石英）时,在晶体内折射后分解为两束平面偏振光,并以不同速度在晶体内传播,这种现象称为双折射.在方解石、石英等晶体内,都有一个特殊方向,光沿这个方向传播时,不发生双折射,这个方向称为晶体的光轴,通过光轴并与晶体表面正交的平面称为主截面.若入射面与主截面重合则双折射产生的两束平面偏振光的振动面互相垂直,其中一束光的振动垂直于晶体主截面,称为寻常光（简称O光）.另一束光的振动平行于晶体的主截面,称为非常光（简称e光）,在晶体内只有沿光轴方向传播时O光和e光的速度相等,而沿其它方向传播时它们的速度不相等.,1.平面偏振光的产生与检验,（3）利用晶体的二向色性起偏,有些晶体（如电气石人造偏振片等）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全吸收,而另一成分的振动几乎没有损失.因些,透过光成为平面振动光.偏振片是一种常用的起偏元件,用它可获得截面积较大的偏振光束.,2.马吕斯定律,电矢量为E强度为I0的线偏振光垂直入射到一个理想的偏振片(检偏器)上,若入射光电振动矢量E和偏振片偏振方向之间的夹角为, 则透射光强为,(2)式为马吕斯定律.当以光的传播方向为轴旋转检振器时,透射光强I将发生周期性变化.当=0时,透射光强最大（最亮）；当=90时,透射光强最小（最暗）；当090时,透射光强度介于最亮与最暗之间.,3.波片与圆偏振光和椭圆偏振光,波片由正晶体或负晶体制成,常用来改变光的偏振状态.当一束振幅为A的线偏振光垂直入射到表面平行于光轴的晶片上，且光的振动面与晶片光轴夹角为时，则在晶片表面上，偏振光O光与e光的振幅分别为Asin与Acos.二光传播的方向相同,但这两束振动面互相垂直的光由于在晶体中传播速度不同，因而会产一位相差.设晶片厚度为l,晶体对O光的折射率为n0,对e光的折射率为ne,于是经晶片射出后O光、e光的位相差为,波片与圆偏振光和椭圆偏振光,O光与e光为两个同频率、有固定相位差,互相垂直的振动,则两光的波动方程为,式中Ao=Asin,Ae=Acos .从（4）、（5）二式中消去t,得,一般说,此式为一椭圆方程即合振动的轨迹在垂直于传播方向的平面内且呈一椭圆形.它代表椭圆偏振光.,讨论,（1）当=2k（k=1,2,3,）由（3）式得,即厚度为l的晶片可使O光与e光的光程差为k,这种晶片称为全波片或波片. 将=2k代入（6）式,得,可见,=2k时,O光经过全波片后,其合振动为平面偏振光,其振动方向与入射偏振光的振动方向平行.,讨论,（2）当=(2k+1), k=0,1,2,），由（3）式及(no-ne)L=(2k+1)/2 ,此时晶片厚度可使O光与e光的光程差为 (2k+1) /2 ,此波片称为半波片.,这这样的合振动仍为平面偏振光,不过振动方向相对原入射光的振动方向转过2角度,讨论,（3）当=(2k+1)/2,（k=0,1,2,3,），则光程差为(no-ne)L=(2k+1)/4,此晶片厚度可使O光与e光的光程差为/4,此晶片为1/4波片.,若O光与e光的振幅相等,即A0=Ae,则（9）式变为,此合成光圆偏光.当不为以上各值时,各振动为不同长短轴组合的椭圆偏振光.椭圆偏振光的长轴和短轴的取向决定于入射偏振光方向与晶片光轴间的夹角.当=0,/2时得线偏振光,=/4时得圆偏振光.,4.偏振光的鉴别,(1)自然光和线偏振光的鉴别,(1)自然光和线偏振光的鉴别 根据马吕斯定律I=I0cos2 ，当=0时,I=I0光强不发生变化.当=90，I=0.因此把检偏器对着入射光,旋转检偏器,若光强不发生变化,则入射光为自然光或圆偏振光.若检偏器旋转一周,透射光有两次最亮(与入射光一样)和两次完全黑暗,则入射光应为线偏振光. (2)自然光与圆偏振光的鉴别 在检偏器前加一个1/4波片,此时若无论检偏器旋转到什么位置,光强I始终不变,则此入射光为自然光.而圆偏振光经过四分之一波片后,成为一线偏振光.在旋转检偏器时,可以观察到(1)中所述现象.,偏振光的鉴别,(3)椭圆偏振光与部分偏振光的鉴别 在检偏器的前加一个1/4波片,然