偏振现象的观察与分析

1．观察光的偏振现象，加深对偏振光的理解．

2．掌握产生和检验偏振光的原理和方法．

3．观察光的旋光现象，学习用旋光仪测定糖溶液的浓度。

【仪器及用具】

氦氖激光器，偏振片(或尼科耳棱镜)，半波片，1／4波片，硅光电池，灵敏电流计，减光板，玻璃片．

【实验原理】

能使自然光变成偏振光的装置或器件称为起偏器．用来检验偏振光的装置或器件称为检偏器．实际上，能产生偏振光的器件，同样可用作检偏器．

 1．平面偏振光的产生

    (1)由反射和折射产生偏振

    自然光在透明介质(如玻璃)上反射或折射时，其反射光和折射光为部分偏振光．当入射角为布儒斯特角(即：入射角满足，为透明介质折射率)时反射光接近于完全偏振光，其偏振面垂直于入射面．

    (2)由二向色性晶体的选择吸收产生偏振

    有些晶体(如电气右、人造偏振片)对两个相互垂直振动的电矢量具有不同的吸收本领，称为二向色性．当自然光通过二向色性晶体时，其中一部分的振动几乎被完全吸收，而另一部分的振动几乎没有损失，因此，透射光就成为平面偏振光．利用偏振片可以获得截面较宽的偏振光束，而且造价低廉，使用方便．但偏振片的缺点是有颜色，光透过率稍低．

    (3)由晶体双折射产生偏振                            

    当自然光入射于某些各向异性晶体时，在晶体内折射后分解为两束平面偏振光(o光、e光)，并以不同的速度在晶体内传播，可用某一方法使两束光分开，除去其中一束，剩余的一束就是平面偏振光．尼科耳(Nicol)棱镜是这类元件之一．它由两块经特殊切割的方解石晶体，用加拿大树胶粘合而成．偏振面平行于晶体的主截面的偏振光可以透过尼科耳棱镜，垂直于主截面的偏振光在胶层上发生全反射而被除掉．

2．圆偏振光和椭圆偏振光的产生

如图1所示，当振幅为A的平面偏振光垂直入射到表面平行于光轴的双折射晶片时，若振动方向与晶片光轴的夹角为，则在晶片表面上o光和e光的振幅分别为和，它们的位相相同．在晶片中，o光与e光传播方向相同，由于传播速度不同，经过厚度为d的晶片后，o光与e光之间将产生位相差：

    其中表示光在真空中的波长，和分别为晶体中o光与e光的折射率．

                                     图1

    (1)如果晶片的厚度使产生的位相差，这样的晶片称为1／4波片．平面偏振光通过1／4波片后，透射光一般是椭圆偏振光，当时，则为圆偏振光；当和时，椭圆偏振光退化为平面偏振光．换言之，1／4波片可将平面偏振光变成椭圆或圆偏振光，也可将椭圆与圆偏振光变成平面偏振光．

   (2)如果晶片的厚度使产生的位相差，这样的晶片称为半波片．若入射平面偏振光的振动面与半波片光轴的夹角为，则通过半波片后的光仍为平面偏振光，但其振动面相对入射光的振动面转过角．

 3．平面偏振光通过检偏器后光强的变化

强度为的平面偏振光通过检偏器后的光强为

其中为平面偏振光偏振面和检偏器主截面的夹角，上述关系称为马吕斯(Malus)定律，它表示改变角可以改变透过检偏器的光强．

    当起偏器和检偏器的取向使得通过的光量最大时，称它们为平行(此时)．当两者的取向使得系统射出的光量最小时，称它们为正交(此时)．

 4．单色平面偏振光的干涉

如图2(a)所示，一束自然光经起偏器(尼科耳棱镜或偏振片)N1后，变成振幅为A的平面偏振光，再通过晶片K射到检偏器N2上．图2(b)表示透过N2迎着光线观察到的振动情况，其中、及分别表示起偏器的主截面、检偏器的主截面和晶片的光轴在同一平面上的投影，和分别为N1、N2的主截面与晶片的光轴的夹角．从晶片透过的两平面偏振光的振幅分别为：

它们的位相差为．穿过N2后，只存在振动平面平行于N2主截面的分量和，其大小为 

可见这两束光是同频率、不等振幅、振动平面在同一平面内的相干光．因此，透射光的光强(按双光束干涉的光强计算方法)为

式中，它是从起偏器N1透射的平面偏振光的光强，从上式可以看出：

(1)当(或)或时，

即透射光强只与N1、N2两主截面的交角的余弦平方成正比，和没有晶片时一样．

(2)当N1、N2正交时，，则

如果晶片是半波片，则，当等于的奇数倍时，，即有光透过N2，发生相长干涉；当等于的偶数倍时，，无光透过，发生相消干涉．由此可见，当半波片旋转一周时，视场内将出现四次消光现象．

(3)当N1与N2平行时，，于是有

可以看出，这时透过的光强恰与N1、N2正交时互补．

1．偏振片主截面的确定

    将一背面涂黑的玻璃片G立在铅直面内，激光器L射出的一细光束沿水平方向入射到玻璃片上，G的反射光为偏振面垂直于入射面的平面偏振光，使G的反射光垂直射人偏振片N，以反射光的方向为轴旋转偏振片N，从透过光强度的变化和反射光的偏振面，可以确定偏振片的主截面，即透过光强极大时偏振片的主截面和反射光的偏振面一致．并在偏振片上标记其主截面的方向．

    2．验证马吕斯定律

   使激光器L射出的光束，穿过起偏器N1和检偏器N2射到硅光电池Pc上，使N1、N2正交，记录灵敏电流计上的示值．将偏振器每转一角度(～)记录一次，直至转动为止．重复以上过程几次．

    3．考察半波片对偏振光的影响

    (1)调N1、N2为正交，在N1、N2间和N1平行放置半波片，以光线方向为轴将波片转，记录出现消光的次数和相对应于N2的位置(角度)．

    (2)使N1和N2正交，半波片的光轴和N1的主截面成(～)角，转N2使之再消光，记录N2位置．改变角，每次增加～，同上测量直至等于．

    4．椭圆偏振光、圆偏振光的产生与检验

    实验装置同上，将半波片换成1／4波片． 

    (1)使N1、N2正交，以光线方向为轴将波片转，记录观察到的现象．

    (2)使用起偏器N1和1／4波片产生椭圆偏振光，旋转检偏器N2观察光强的变化．记录波片光轴相对N1主截面的夹角，以及转动N2光强极大、极小时主截面与波片光轴的夹角．取不同值重复观测．    

  (3)使用N1和1／4波片产生圆偏振光(应怎样安置1／4波片?)，旋转N2，进行观测并记录．

    (4)为了区分椭圆偏振光和部分偏振光、圆偏振光和自然光，要在检偏器前再加一个1／4波片去观测，注意1／4波片的放置．

    (5)设计一实验方案(原理和步骤)，说明如何应用一个1／4波片和一个检偏器，去判断椭圆偏振光的旋转方向．

    5．注意事项

    (1)应用光电池记录光强时，灵敏电流计应选用低内阻型．读数时，应注意扣除环境杂散光产生本底电流的影响．若光电流测量值范围过大时，用分流电路（参见硅光电池线性响应实验）可避免因改变电流计的量程，影响电流计的内阻和测量灵敏度，保证电流计低内阻R不变．

(2)在观察和讨论波片对偏振光的影响时，准确地确定起偏器N1的主截面与波片的夹角是很重要的．而实际使用的波片，光轴方向定位不够准确，为此应善于运用理论来指导实践，即根据波片在正交偏振片之间绕光线方向旋转一周时，在四个特定方位将出现消光的特性，以帮助校准波片光轴和N1之间夹角的

【数据表格】（画出数据表格，写明物理量和单位）

【数据处理及结果】

成绩：     指导教师签名：

                                 批阅日期：