PAGE1PAGE1偏振光的研究(課題實(shí)驗(yàn))課前思考線偏振光的產(chǎn)生能夠產(chǎn)生線偏振光的方法有哪些？設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法，畫出光路圖，列出所需實(shí)驗(yàn)器材。馬呂斯定律何為馬呂斯定律？如何驗(yàn)證馬呂斯定律？思考實(shí)驗(yàn)中可能存在哪些干擾因素？如何減少其影響？反射光與折射光的偏振特性自然光入射兩種介質(zhì)界面時(shí)，反射光與折射光各有何偏振特性？何為布儒斯特定律？如何測(cè)布儒斯特角？設(shè)計(jì)光路及操作步驟，思考如何通過反射光的偏振特性確定未知偏振方向偏振片的偏振化方向。波片的性質(zhì)及應(yīng)用何為波片？半波片和1/4波片各有何特性？波片對(duì)偏振光的作用有哪些？物質(zhì)的旋光特性什么是旋光現(xiàn)象？旋光物質(zhì)有哪些？旋光特性有哪些實(shí)際應(yīng)用？半導(dǎo)體激光器的偏振特性初步了解半導(dǎo)體激光器的工作原理，設(shè)計(jì)方案測(cè)量半導(dǎo)體激光器出射光的偏振度（光的偏振度：在部分偏振光的總強(qiáng)度中，完全偏振光所占的成分叫做偏振度。偏振度的數(shù)值愈接近1，光線的偏振化程度就越高。）偏振光的干涉偏振光的干涉現(xiàn)象是如何產(chǎn)生？偏振光的干涉有哪些實(shí)際應(yīng)用？課題任務(wù)光的偏振特性—驗(yàn)證馬呂斯定律利用現(xiàn)有儀器驗(yàn)證馬呂斯定律，記錄角度變化與對(duì)應(yīng)功率值（測(cè)量范圍0°—360°，每10°間隔測(cè)量），做出角度與功率關(guān)系曲線，并將實(shí)驗(yàn)值與理論值進(jìn)行比較，計(jì)算其相對(duì)誤差，對(duì)結(jié)果加以分析和評(píng)價(jià)。注意：由于半導(dǎo)體激光具有偏振性，轉(zhuǎn)動(dòng)起偏器，觀察其后的接收白屏，在光強(qiáng)相對(duì)較大時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。建議光功率計(jì)探頭光闌置于φ6，盡量使光束全部進(jìn)入探頭，并鎖緊所有螺釘。2.光的偏振特性—反射光的偏振特性通過觀察棱鏡材料表面反射光的偏振特性，加深對(duì)其理解，測(cè)量出布儒斯特角，并確定偏振片的偏振方向，計(jì)算棱鏡材料的折射率。采用半導(dǎo)體激光器、偏振片、1/4波片、白屏、布儒斯特轉(zhuǎn)角裝置及光功率計(jì)。各實(shí)驗(yàn)器件放置應(yīng)易于操作、便于觀察，注意調(diào)節(jié)各光學(xué)器件等高同軸。利用起偏器和1/4波片產(chǎn)生圓偏振光，其后放置布儒斯特轉(zhuǎn)角裝置及轉(zhuǎn)接桿，在轉(zhuǎn)接桿上放置檢偏器及光探頭，使光探頭卡在桿上凹槽中，調(diào)節(jié)高度至激光射入探頭光闌（即不消光）。具有這種特點(diǎn)的光，叫做部分偏振光。通常用偏振度P來衡量部分偏振光程度的大小，它定義為P=（I極大-I極小）/（I極大+I極小）這里分母I極大+I極小實(shí)際是兩個(gè)相互垂直分量的強(qiáng)度之和，即部分偏振光。線偏振光是偏振度最大的光。2.3線偏振光透過偏振片的光線中只剩下了與其透光方向平行的振動(dòng)。這種只包含單一振動(dòng)方向光叫做線偏振光。線偏振光中振動(dòng)方向與傳播方向構(gòu)成的平面，叫做偏振面。偏振片用來產(chǎn)生線偏振光，我們叫它起偏器。偏振片用來檢驗(yàn)線偏振光，叫做檢偏器。I=I0Cos2θθ為偏振面夾角線偏振光通過檢偏器后透射光強(qiáng)度隨θ角變化的規(guī)律，叫做馬呂斯定律。2.4圓偏振光如果一束光的電矢量在波面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是其瞬時(shí)值的大小不變，方向以角速度ω（即波的圓頻率）勻速旋轉(zhuǎn)，換句話說，電矢量的端點(diǎn)描繪的軌道為一圓，這種光叫做圓偏振光。垂直振動(dòng)的合成理論告訴我們，兩個(gè)相互垂直的簡諧振動(dòng)，當(dāng)它們的振幅相等，位相差±π/2時(shí)，其合成運(yùn)動(dòng)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量，所以圓偏振光可看成是兩個(gè)相互垂直的線偏振光的合成，而分量應(yīng)寫成Ex=AcosωtEy=Acos(ωt±π/2)如果迎著圓偏振光的傳播方向放一偏振片，并旋轉(zhuǎn)其透光方向以觀察透射光強(qiáng)的變化，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)不發(fā)生變化。2.5橢圓偏振光電矢量的端點(diǎn)在波面內(nèi)描繪的軌跡為一橢圓的光，稱為橢圓偏振光。橢圓運(yùn)動(dòng)也可看成是兩個(gè)相互垂直的簡諧振動(dòng)的合成，只是它們的振幅不等，或位相差不等于±π/2。而分量可寫成Ex=AcosωtEy=Acos(ωt±δ)δ為位相差如果迎著橢圓偏振光的傳播方向放一偏振片，并旋轉(zhuǎn)其透光方向以觀察透射光強(qiáng)的變化，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)其光強(qiáng)變化特點(diǎn)類似部分偏振光，即強(qiáng)度每轉(zhuǎn)90o也交替出現(xiàn)極大和極小，但無消光位置。3反射、折射光的偏振特性自然光入射到折射率兩種介質(zhì)的界面上時(shí)，反射光和折射光都是部分偏振光。特別是當(dāng)以布儒斯特角入射時(shí)，反射光為線偏振光，其振動(dòng)面垂直于入射面。因此，可以利用自然光以布儒斯特角入射到電介質(zhì)表面（如玻璃等）產(chǎn)生線偏振光，可以利用平行玻璃片堆同時(shí)獲得反射和透射的線偏振光。入射光在空氣與介質(zhì)界面的反射、折射光路圖示如下：根據(jù)麥克斯韋的電磁理論和邊值條件，我們可以推導(dǎo)如下關(guān)系：E’P=tan(I1-I2)EP/tan(I1+I2)E’S=sin(I1-I2)ES/sin(I1+I2)其中E’P為偏振面平行于入射面的反射光電矢量，EP為偏振面平行于入射面的入射光電矢量，E’S為偏振面垂直于入射面的反射光電矢量，ES為偏振面垂直于入射面的入射光電矢量。分析上式我們發(fā)現(xiàn)，由于tan90o=∞，E’P可能為0，即在I1+I2=90o時(shí)，反射光中可能不含平行分量，不管入射光是什么狀態(tài)，反射光都是線偏振光。由折射定律：sinI1=nsinI2和I1+I2=90o得到tanI1=n時(shí)，反射光是線偏振光。這就是布儒斯特定律，此時(shí)的入射角I1我們稱為布儒斯特角，它的大小由材料的折射率決定。4雙折射及波片具有雙折射現(xiàn)象的材料有這樣一種光學(xué)特性：及當(dāng)一束光進(jìn)入這種材料時(shí)可能會(huì)分成兩束，這兩束光的傳播方向、振動(dòng)方向和速度將有所不同，一束符合我們所知道的折射定律，如垂直入射時(shí)光束方向不變，但另一束卻不符合這個(gè)規(guī)律。我們分別將這兩束光稱為O光和E光，對(duì)應(yīng)的折射率分別為no和ne。在這種晶體中還存在一個(gè)特定的方向，當(dāng)光從這個(gè)方向上進(jìn)入材料時(shí)不會(huì)分成兩束，符合一般的折射定律，這個(gè)特殊的方向就是材料的光軸方向。波片是一種將具有雙折射現(xiàn)象的材料（如方解石晶體，石英晶體等）按一定技術(shù)要求加工而成的光學(xué)元件。波片在加工時(shí)，使通光表面平行于光軸，即入射光將垂直于光軸進(jìn)入波片。現(xiàn)在假設(shè)一束線偏振光以偏振方向同波片光軸成θ角的狀態(tài)垂直入射于波片。這時(shí)會(huì)發(fā)生一種比較特殊的雙折射現(xiàn)象，即O光和E光傳播方向相同，但傳播速度不同，或者說o光和e光在波片中的折射率不同，透過波片之后兩者之間產(chǎn)生一定的位相差。波片產(chǎn)生的位相差和光程差分別為Δφ=2π(no?ne)d/λ，δ=(no?ne)d，d為波片的厚度，no、ne分別為波片對(duì)o光和e光的折射率。對(duì)于某一波長，選擇不同的厚度可得到不同的波片：δ=±(2k+1)λ/2時(shí)，為λ/2波片，δ=±(2k+1)λ/4時(shí)，為λ/4波片，δ=±kλ(k≠0)時(shí)，為全波片。5偏振光的產(chǎn)生和檢驗(yàn)5.1偏振光的獲得自然界的大多數(shù)光源所發(fā)出的是自然光。為了從自然光得到各種偏振光，需要采用偏振器件。偏振片、玻片堆和尼科耳棱鏡等都可以用作起偏器，自然光通過這些起偏器后就變成了線偏振光。偏振片常用具二向色性的晶體制成，這些晶體對(duì)不同方向的電磁振動(dòng)具有選擇吸收的性質(zhì)，當(dāng)光線射在晶體的表面上時(shí)，振動(dòng)的電矢量與光軸平行時(shí)吸收得較少，光可以較多地通過；電矢量與光軸垂直時(shí)被吸收得較多，光通過得很少。通常的偏振片是在拉伸了的塞璐璐基片上蒸鍍一層硫酸碘奎寧的晶粒，基片的應(yīng)力可以使晶粒的光軸定向排列起來，這樣可得到面積很大的偏振片。為了得到橢圓偏振光，使自然光通過一個(gè)起偏器和一個(gè)波片即可。由起偏器出射偏振光正入射到波片中去時(shí)，只要其振動(dòng)方向不與波片的光軸平行或垂直，就會(huì)分解成0光和e光，穿過波片時(shí)在它們之間就有一定的附加相位差δ。射出波片之后，傳播方向相同的這兩束光的速度恢復(fù)到一樣，它們?cè)谝黄鹨话闶呛铣蓹E圓偏振光。只有當(dāng)這兩面束光之間的相位差等于±π/2，且振幅相同時(shí)，才有可能得到圓偏振光。換言之，令一束線偏振光垂直通過一波片，一般我們得到一束橢圓偏振光；只有通過1/4波片，且波片的光軸與入射光的振動(dòng)面成對(duì)45°角時(shí)，我們才能得到一束圓偏振光。5.2偏振光的檢驗(yàn)假定入射光有以下五種可能性，即自然光，部分偏光，線偏振光，圓偏振光和橢圓偏振光。檢驗(yàn)偏振光的方法是:第一步，利用一塊偏振片或其它檢偏器，在旋轉(zhuǎn)一周時(shí)透過檢偏器的光強(qiáng)不變，則可以斷定入射光是自然光或圓偏振光；否則就是部分偏振光或橢圓偏振光。第二步,為了鑒別自然光和圓偏振光。可以令入射光依次通過1/4波片和偏振片，圓偏振光經(jīng)波片后變成了線偏振光，于是通過轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片有無消光現(xiàn)象而鑒別出來。為了鑒別部分偏振光的和橢圓偏振光，則必須設(shè)法讓1/4波片的光軸與橢圓主軸平行，只有這樣才能使橢圓偏振光經(jīng)過波片后變成為線偏振光而將它鑒別出來。6偏振光的干涉6.1偏振光的干涉現(xiàn)象線偏振光垂直通過波片時(shí)，按其振動(dòng)方向（或振動(dòng)面）分解成o光和e光，它們具有相同的振動(dòng)頻率，以恒定的相位差在同一方向上傳播。只要設(shè)法將它們的振動(dòng)方向引到同一方向上來，就能滿足相干條件，從而實(shí)現(xiàn)偏振光的干涉，與分波前干涉和分振幅干涉相比，它是分振動(dòng)面干涉，波片是分振動(dòng)面元件。將波片置于兩偏振片間，可以觀察到以下各種干涉現(xiàn)象：1.當(dāng)波片厚度均勻，用單色光源時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)任一元件，屏上的光強(qiáng)會(huì)發(fā)生變化。用白光源時(shí)屏上出現(xiàn)彩色圖樣，并隨元件轉(zhuǎn)動(dòng)顏色發(fā)生變化。2.當(dāng)波片不均勻，用單色光源時(shí)屏上出現(xiàn)干涉圖樣；用白色光源屏上出現(xiàn)彩色圖樣。3.當(dāng)波片用透明塑料代替時(shí)，對(duì)塑料加應(yīng)力后屏上會(huì)出現(xiàn)隨應(yīng)力大小變化的明暗或彩色干涉圖樣。6.2光彈效應(yīng)和電光效應(yīng)1.光彈效應(yīng)在內(nèi)應(yīng)力或外來的機(jī)械應(yīng)力作用下，可以使透明的各向同性的介質(zhì)（例如玻璃和塑料等）變?yōu)楦飨虍愋缘模瑥亩构猱a(chǎn)生雙折射，這種現(xiàn)象稱為光彈效應(yīng)。在這種應(yīng)力作用下的透明介質(zhì)中，（no-ne）與應(yīng)力的分布有關(guān)。因此，如果這種透明介質(zhì)做成片狀，插在兩偏振片之間，不同地點(diǎn)因（no-ne）不同會(huì)引起o光和e間不同的相位差δ，屏幕上將呈現(xiàn)出反映這種差別的干涉圖樣。應(yīng)力越集中地方，各向異性越強(qiáng)，干涉條紋越細(xì)密。在白光照射下，則顯示出彩色的干涉圖樣。2.電光效應(yīng)在外加電場(chǎng)的作用下，也可以使用某些各向同性的透明介質(zhì)變?yōu)楦飨虍愋缘模瑥亩构猱a(chǎn)生雙折射，這種現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。一種電光效應(yīng)稱為克爾效應(yīng)，是克爾（J.Kerr,1824-1970）在1875年發(fā)現(xiàn)的。在外加強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，介質(zhì)分子作定向排列而呈現(xiàn)出各向異性，其光學(xué)性質(zhì)與單軸晶體類似；外電場(chǎng)一旦撤除，這種各向異性立即消失。1893年，泡克耳斯（Pockels,1865-1913）對(duì)某些晶體在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的線性電光效應(yīng)，進(jìn)行了廣泛的研究。現(xiàn)在，人們常把這種電光效應(yīng)稱為泡克耳斯效應(yīng)。在具有這種效應(yīng)的晶體中，最典型的是磷酸二氫鉀（KH2PO4）晶體，簡稱KDP晶體。這種晶體在自由狀態(tài)下是單軸晶體，但在電場(chǎng)作用下變成了雙軸晶體，沿原來光軸的方向產(chǎn)生附加的雙折射效應(yīng)。由于克爾盒中的硝基苯液體有毒，且攜帶不便，對(duì)它的純度要求又很高，因此近年來克爾盒已逐漸為KDP晶體所代替。特別是激光的出現(xiàn)，大大促進(jìn)了電光晶體的研制。在近代光學(xué)技術(shù)中常用的電光晶體，除KDP晶體外，還有砷化鎵（GaAs）和鈮酸（LiNbO3）晶體等等。此外，砷化鎵還是集成光學(xué)中重要的材料。集成光學(xué)是采用薄膜結(jié)構(gòu)來傳導(dǎo)、調(diào)制和偏轉(zhuǎn)光波，以及進(jìn)行光信息處理或產(chǎn)生光振蕩的。7旋光現(xiàn)象7.1晶體和溶液的旋光性在普通的單軸晶體（如方解石）中，光線沿光軸傳播時(shí)不發(fā)生雙折射，這時(shí)o光和e的傳播方向和波速都一樣。因此，如果我們?cè)谶@種晶體內(nèi)垂直于光軸切割出一塊平行平面晶片，并將它插在一對(duì)正交的偏振片之間，則從偏振片I透出來的線偏振光經(jīng)過此晶片時(shí)偏振狀態(tài)沒有改變，在偏振片II之后仍然消光。但是，在用石英晶體代替方解石做上述實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，要使偏振片II之后消光，必須將偏振片II的透振方向向左或向右旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度ψ。上述現(xiàn)象表明，線偏振光在通過這些物質(zhì)后，它的振動(dòng)發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象。某些物質(zhì)具有能使線偏振光的振動(dòng)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)，稱為旋光性(opticalactivity）。這些具有旋光性的物質(zhì)，稱為旋光物質(zhì)。對(duì)于晶體而言，振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度ψ與晶片的厚度d成正比，即ψ=αd其中比例系數(shù)α稱為該晶體的旋光率（specificrotation），它與入射光的波長有關(guān)。對(duì)于溶液而言，ψ還與溶液的濃度C成正比，即ψ=αˊCd其中比例系數(shù)αˊ稱為該溶液的比旋光率。溶液的旋光性在制糖、制藥和化工等方面很有用，例如測(cè)定糖溶液濃度的糖量計(jì)，就是根據(jù)糖溶液的旋光性而設(shè)計(jì)的一種儀器。可以在一定的溫度和波長下事先測(cè)得比旋率αˊ，然后再測(cè)出未知濃度溶液使振動(dòng)面偏轉(zhuǎn)的角度ψ，即可利用上確定其濃