偏振光的研究

!""#年第 $!期%&’()*+ ’),-./(.(’0’实 验 技 术 光的偏振使人们对光的传播规律有了新的认 识!在现代通信技术"光电子技术"晶体性质研究" 实验应力分析等技术部门有着广泛的应用! 光有五种偏振态#即线偏振光"圆偏振光"椭 圆偏振光"自然光和部分偏振光!线偏振光和圆偏 振光可看作椭圆偏振光的特例! 光的干涉和衍射 现象证明了光具有波动性# 但这些现象不能说明 光是纵波还是横波# 而光的偏振现象则清楚地显 示了光的横波性#光波是波长较短的电磁波!光波 中的电矢量与波的传播方向垂直! 我们着重研究 的是光的各种偏振状态的改变! 1 原理 椭圆偏振光可看作是电矢量!"与!#沿同一 方向$传播的线偏光的合成! 可用如下方程式 示$ ! ! 2 3% ! 24! ! 5 3% ! 56!!2!5 3%2%5789!:9;" 3 !时#%1&式变成$ ! ! 2?! ! 5:% ! %!& %!&式代表圆方程#表示椭圆偏振光退化为圆 偏振光! 当!:@#>"时#或者%2%或%5&:"时#%1&式变成$ !2 3%2"!5 3%5:" %#& %#&式变成直线方程#表示合成光退化为线偏 振光! ! 光波的各种偏振状态的判别与检验 由于自然光和偏振光人眼无法直接区分它 们#检验各种偏振状态#必需借助偏振片"波晶片 等光学元件来实现! !"检测自然光#变自然光为线偏振光! 自然光经过偏振片# 由于偏振片具有选择性 吸收#入射光波中#电矢量!!垂直于偏振片透光方 向的成分被强烈吸收#而!!光方向的分量则吸收较 少#所以透过的光基本上成为线偏振光! 利用单轴晶体的双折射#电矢量!!垂直折射于 晶体内某条光线与光轴构成的平面 %,光的主平 面&#产生的寻常光%,光&为线偏光! 电矢量!!平行 于%A光&的主平面#产生的非常光%A光&也同样为 线偏光! #"光束通过波晶片后偏振态的改变! 波晶片是从单轴晶体中切割下来的平面平行 板# 表面平行于光轴! 平行光垂直入射到波晶片 后#分别为!分量和&分量! 透过波晶片#二者产生 一个附加位相差# 离开晶片时合成光波的偏振性 质#决定于!及入射光的性质! 当自然光通过波晶片# 因为自然光的两个正 交分量之间的位相差是无规则的#通过波晶片#引 入一恒定的位相差其结果还是无规则的# 仍然是 偏 振 光 的 研 究 沈 君 长沙理工大学!B1@@CC" 图 1 D !" D !""#年第 $!期 实验教学与仪器 自然光! 若入射光为线偏光"其电矢量平行于!轴或" 轴"因为只有一个分量"没有振动的合成与偏振态 的改变"任何波长片都不起作用"所以出射光仍然 是线偏光! 偏振光通过波晶片" 除了以上两种情 况"其偏振状态都是要改变的! !"! % &波片与偏振光! 让入射光通过! % &波片" 再放一个偏振片"转 动偏振片"如果光强无变化"则说明是自然光! 因 为自然光的两个正交分量之间的位相差是无规则 的" 虽然通过! % &波片引入了一个恒定的位相差" 其结果还是无规则的! 让自然光通过一个玻璃片" 就变成了部分偏 振光"再放一个! % &波片和一个检偏器’"转动检 偏器’"光强有强弱变化"但无消光现象!说明是部 分偏振光! 让入射光通过起偏器(" 放一个! % &波片和一 个检偏器’"转动检偏器’"观察到光强无变化"说 明入射光是圆偏振光! 让入射光通过起偏器(和! % &波片" 再放一 个! % &波片 #要求第二块! % &波片的主截面必须 与椭圆的长轴或短轴平行$ 和一个检偏器’"转 动检偏器’"观察到有消光现象 "说明是椭圆偏 振光% 用! % &波片产生椭圆偏振光" 使(&’正交"中 间插入! % &波片"转之消光"使! % &波片的快轴或慢 轴沿着(的透光方向’即竖直方向$! 然后保持! % & 波片不动"将(转动$)*"转动’为#+,*观察到光强- 出现两次最大"两次最小"说明是椭圆偏振光!将( 转动.)*"转动’为#+,*"观察到光强-出现两次最 小"两次最大"说明还是椭圆偏振光! 将(转过去 #,*"转动’为#+,*"观察到光强-出现两次弱"两次 强! 将(转过去+,*"转动’为#+,*"观察到光强-出 现两次强"两次弱"但没有以上明显"说明还是椭 圆偏振光"但长短轴相差不大! 将(转过&)*"再转 ’#+,*"观察到光强-基本保持不变"说明变成了圆 偏振光! #"考察线偏振光通过! % !波片时的现象! 在观察者与光源之间 "放入偏振片("旋转 ("看透射光的强度有无变化"再放检偏器’"转 ’" 观察透过’的光强的变化! 根据马吕斯定律 可知(强度为 #,的偏振光透过检偏器后 "透射光 的强度为 ($%$,/01!""当"2""$%$""即旋转’"使 ’!("振动方向一致时"观察到光强最强% 再旋 转’"使("’% 两偏振片互相垂直时"")# % !"透 射光消失" 就会出现消光! 当’和(成其它角度 时"光强变化! 若仍使(的透光方向竖直"(&’正光" 再插入 ! % !波片"转之使消光’! % !波片的快轴或慢轴以 及(的透光方向都沿着竖直方向$" 保持! % !波片 不动"依次将(转角3)*"破坏消光"再沿(相反方 向转’至消光位置并所转过的角度! 然后依 次将(转#"*"&)*"+"*".)*"4"*" 再转’到消光位 置并记录转过的角度"从检测的结果可知"若入 射光是线偏光" 经过! % !波片后出射光也是线偏 光"电矢量!#!与晶片光轴成$角时"则电矢量!#出与 光轴成***$角% 线偏! % !光经过! % !波片后"电矢 量振动方向转过!$角%若入射光是椭圆偏振光"作 类似分析可知"半波片既改变椭圆偏振光长’短$ 轴的取向"也能改变椭圆偏振光’圆偏振光$的旋 转方向% # 说明 检测过程中"放入! % !波片和! % &波片时"应注 意将波长片转到消光的位置" 其目的是波长片的 快轴或慢轴沿着(的透光方向’即竖直方向$%实际 检测过程中"没有标明快轴&慢轴的方向"但对出 射光偏振态的判断仍然能得到完全一样的正确结 论%若要判断圆或椭圆偏振光的旋转方向"还需知 道波片是正晶还是负晶制造以及它的厚度" 从而 判断"25% % !"还是"26% % !% 有了这些条件"就可 以分析出射光的旋转方向了% 实 验 技 术 我可以把时间比作一个永远转动着的 圆圈!那不断下沉的半边好比是过去"不断 上升的半边好比是将来# 而正上面那不可 分割的一点即水平切线和圆周接触之处就 好比是无广延的现在$ !!!"德#叔本华 $$$$$$$$$$$$$$$$$%$ $ $ $ $ $ $ $ $ $ % $$$$$$$$$$$$$$$$$% $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ % 6 !" 6