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大学物理实验《偏振光的观测与研究》.doc

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第 3 章 基础实验 25实验 3.8 偏振光的观测与研究偏振光的理论意义和价值是,证明了光是横波。同时,偏振光在很多技术领域得到了广泛的应用。如偏振现象应用在摄影技术中可大大减小反射光的影响,利用电光效应制作电光开关等。【实验目的】1.通过观察光的偏振现象,加深对光波传播规律的认识。2.掌握偏振光的产生和检验方法。3.观察布儒斯特角及测定玻璃折射率。4.观测圆偏振光和椭圆偏振光。【实验仪器】光具座、激光器、光点检流计、起偏器、检偏器、1/4 波片、1/2 波片、光电转换装置、观测布儒斯特角装置、带小孔光屏、钠光灯。【实验原理】按照 光 的 电 磁 理 论 , 光 波 就 是 电 磁 波 , 电 磁 波 是 横 波 , 所 以 光 波 也 是 横 波 。 在 大 多 数情 况 下 , 电 磁 辐 射 同 物 质 相 互 作 用 时 , 起 主 要 作 用 的 是 电 场 , 因 此 常 以 电 矢 量 作 为 光 波 的振 动 矢 量 。 其 振 动 方 向 相 对 于 传 播 方 向 的 一 种 空 间 取 向 称 为 偏 振 , 光 的 这 种 偏 振 现 象 是 横波 的 特 征 。根据偏振的概念,如果电矢量的振动只限于某一确定方向的光,称为平面偏振光,亦称线偏振光;如果电矢量随时间作有规律的变化,其末端在垂直于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) ;若电矢量的取向与大小都随时间作无规则变化,各方向的取向率相同,称为自然光,如图 3-26 所示;若电矢量在某一确定的方向上最强,且各向的电振动无固定相位关系,则称为偏振光。1.获得偏振光的方法(1)非金属镜面的反射,当自然光从空气照射在折射率为 n 的非金属镜面(如玻璃、水等)上,反射光与折射光都将成为部分偏振光。当入射角增大到某一特定值 φ 0 时,镜面反射光成为完全偏振光,其振动面垂直于射面,这时入射角 φ 称为布儒斯特角,也称起偏振角,由布儒斯特定律得:(3-51)0tan其中,n 为折射率。(2)多层玻璃片的折射,当自然光以布儒斯特角入射到叠在一起的多层平行玻璃片上时,经过多次反射后透过的光就近似于线偏振光,其振动在入射面内。图 3-26 自然光大学物理实验 926(3)晶体双折射产生的寻常光(o 光)和非常光(e 光) ,均为线偏振光。(4)用偏振片可以得到一定程度的线偏振光。2.偏振片、波片及其作用(1)偏振片偏振 片 是 利 用 某 些 有 机 化 合 物 晶 体 的 二 向 色 性 , 将 其 渗 入 透 明 塑 料 薄 膜 中 , 经 定 向 拉制 而 成 。 它 能 吸 收 某 一 方 向 振 动 的 光 , 而 透 过 与 此 垂 直 方 向 振 动 的 光 , 由 于 在 应 用 时 起 的作 用 不 同 而 叫 法 不 同 , 用 来 产 生 偏 振 光 的 偏 振 片 叫 做 起 偏 器 , 用 来 检 验 偏 振 光 的 偏 振 片 叫做 检 偏 器 。按照马吕斯定律,强度为 I0 的线偏振光通过检偏器后,透射光的强度为:(3-52)20cosI式中 为 入 射 偏 振 光 的 偏 振 方 向 与 检 偏 器 偏 振 化 方 向 之 间 的 夹 角 , 显 然 当 以 光 线 传 播方 向 为 轴 转 动 检 偏 器 时 , 透 射 光 强 度 I 发 生 周 期 性 变 化 。 当 =0°时 , 透 射 光 强 最 大 ; 当=90°时 , 透 射 光 强 为 极 小 值 ( 消 光 状 态 ) ; 当 0° 90°时 , 透 射 光 强 介 于 最 大 和 最 小之 间 。自然 光 通 过 起 偏 器 后 可 变 为 线 偏 振 光 , 线 偏 振 光 振 动 方 向 与 起 偏 器 的 透 光 轴 方 向 一致 。 因 此 , 如 果 检 偏 器 的 透 光 轴 与 起 偏 器 的 透 光 轴 平 行 , 则 在 检 偏 器 后 面 可 看 到 一 定 光 强 ,如 果 二 者 垂 直 时 , 则 无 光 透 过 , 如 图 3-27 所 示 。 其 中 ( a) 图 为 起 偏 器 透 光 轴 P1 与 检 偏器 透 光 轴 P2 平 行 的 情 况 ; ( b) 图 为 起 偏 器 透 光 轴 P1 与 检 偏 器 透 光 轴 P2 垂 直 的 情 况 。 此时 透 射 光 强 为 零 , 此 种 现 象 称 为 消 光 。 在 实 验 中 要 经 常 利 用 “消 光 ”现 象 来 判 断 光 的 偏振 状 态 。图 3-27 偏振光(2)波片波片也称相位延迟片,是由晶体制成的厚度均匀的薄片,其光轴与薄片表面平行,它能使晶片内的 o 光和 e 光通过晶片后产生附加相位差。根据薄片的厚
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