1、光的偏振实验,理学院物理实验教学中心,王 峰 讲师,一、实验目的,1.学习线偏振光、椭圆偏振光(包括圆偏振光)的获取方法； 2.验证马吕斯定律； 3.学习检验线偏振光、椭圆偏振光(包括圆偏振光)等的实验过程； 4.了解由计算机控制实验的过程。,二、实验仪器,激光器 起偏器 检偏器 1/4波片 硅光电池,三、实验原理,偏振光和自然光 椭圆偏振光 波片,对于自然光，各方向的强度相等，Imax=Imin,P=0；对于完全偏振光，IP=I总，P=1；其他情形下的P值都比1小。偏振度的数值愈接近1，光束的偏振化程度就愈高。,2.椭圆偏振光在直角坐标系中，将椭圆偏振光的光矢量端点的轨迹用方程表示，则为：,
2、式中，Ex和Ey分别为光矢量E在x和y方向的分量Ex=a1costEy=a2cos(t+),这椭圆内接于一长方形，长方形各边与坐标轴平行，边长为2a1和2a2。可以证明，椭圆的长轴和x轴的夹角由下式决定tan2 =2a1a2cos/(a21-a22) 式中，是振动方向平行于y轴的分量与振动方向平行于x轴的分量的位相差。,可见椭圆的形状由相差和振幅比a2/a1决定。在两种特殊情况下，电矢量的运动沿直线进行，因而光波为线偏振光。这两种特殊的情况是： (1)=0或2的整数倍，这时方程式化为表示电矢量的运动沿着一条经过坐标原点而斜率为 a2/a1的直线进行； (2)=的奇数倍，这时方程式化为表示电矢量
3、的运动沿着一条经过坐标原点而斜率为 -a2/a1的直线进行,还必须指出，当=/2和它们的奇数倍时，方程式化为：这是一个标准的椭圆方程，表示一个长短轴a1，a2与坐标轴 x, y 重合的椭圆。若在这种情况下同时有a1=a2=a，则由上式得到 Ex2+Ey2=a2 表示电矢量末端的运动描成一个圆，即为圆偏振光。,3.波片,设晶片厚度为d，在晶片中o光的光程是nod，e光的光程是ned，两者的光程差是：=no-ned 位相差是：=2no-ned这种能使光矢量互相垂直的两束线偏振光产生相移的晶片叫做波片或移相片。,(1)1/4波片 如果波片产生的光程差=no-ned=(m+1/4) 式中m为整数。这样
4、的波片叫做1/4波片。当入射的线偏振光的光矢量与波片的快轴成45角时，通过1/4波片后得到圆偏振光，否则将有可能得到椭圆偏振光或线偏振光(当与快轴或慢轴相一致时)。,(2)1/2波片 如果波片产生的光程差=(m+1/2) 式中m为整数。这样的波片叫半波片或1/2波片。圆偏振光通过半波片后仍为圆偏振光，但旋向改变；线偏振光通过半波片后自然是线偏振光，但光矢量的方向改变。设入射的线偏振光的光矢量与波片的快轴(或慢轴)的夹角为，通过晶片后光矢量向着快轴方向转了2角。,四、实验内容本实验是由计算机控制和采集数据的。其目的是使大家对计算机控制物理实验的过程有个基本的了解，因为这种技术已在科学研究与生产实
5、际中应用得很普遍了。,1.验证马吕斯定律,验证马吕斯定律实验装置图,首先放置好半导体激光器和光电池盒，调节等高共轴。,(1)在激光器后放入起偏器(手动)，点击菜单上的启动图标，随即在工作区中开始绘出一条曲线。由于半导体激光器输出的激光是偏振的，所以改变起偏器的通光方向，就会使光强变化。转动起偏器，调节曲线的高度，至曲线较高，但不到1，不能使之饱和。,(2)在起偏器和光电池盒之间，靠近后者放置检偏器。选中与检偏器相连电机的图标。启动，画出一条曲线。选取“数据处理”菜单中的“读取数据”项，系统弹出一读数标志红线和角度-光电流数据显示窗，利用键盘上的箭头键移动红线至光电流值最大处。读出相应角度。利用
6、“角度检索”功能(点击相应图标)，输入对应于光电流最大处的角度数，确认后即可将此角位置移动至坐标原点。再启动检偏器，测出曲线(0180)。读出900间每隔10的角度和相应光电流数据I。在坐标纸上画出I/I0cos2曲线。由实验曲线验证马吕斯定律，给出验证的结论。,2.波片对偏振光的作用(1)在前面的实验装置上，转动检偏器使系统消光。放入1/4波片，并启动相应电机转动波片，使系统重新消光。这表明波片并没有对偏振光系统起作用，此时必定是波片的某光轴与线偏振光的振动面(起偏器的通光方向)夹角为0。(2)通过“角度检索”依次转动波片，使其光轴与原线偏振光的振动面(起偏器的通光方向)夹角为0，30和45，每次都转动检偏器分别测出相应的曲线。根据这些曲线的形状，判断线偏振光通过1/4波片后变成了哪种偏振光，并归纳出1/4波片对偏振光作用的一般性结论。,(3)将1/4波片替换为1/2波片，采用同样的实验方法，测定1/2波片光轴与线偏振光的振动面夹角分别为0和45时的曲线，并以此判断线偏振光通过1/2波长后发生了什么变化，归纳出1/2波片对偏振光作用的一般性结论。,六、讨论问题 1.请说出获得偏振光的几种不同的方法。 2.如何判断线偏振光?怎样确定它的偏振方向? 3.如何区别圆偏振光与自然光? 4.怎样区别部分偏振光与椭圆偏振光?,
