光的偏振外文翻译资料

3 bull; 7 Polarization of Light

Objectives

1. To investigate polarization(偏振）0f light
2. To test Malusrsquo; law（马吕斯定律）for the transmission of light through crossed polarizers（正交
3. 偏振器）.
4. To measure the properties of various types of polarizers.
5. (To investigate the nature of birefringent(双折射）wave plates (彼片）bull;
6. ,5 To observe the optical activity(旋光性）of a crystal(quartz).

Apparatus

Optical table ( 子干台），incandescent light source (内识光源），a semiconductor laser(半导体激光器）

and laser power supply (电源)，two linear polarizers (线偏振器），a half wave plate ( 1/2 -wave plate)

(半波片），a quarter wave plate( 1/4 - wave plate)

(四分之一波片），photodetector (光电探测器）and power meter (功 率计)，graduated rotatable frames and posts. See Figure 3. 7. 1.

Theory

Light is a transverse electromagnetic wave (横电磁波)(see Figure 3.1.2). The electric field vector(电场矢量）E, the magnetic field vector（磁场矢设）B and the direction of travel/(传播 方向）Z form an orthogonal system(正交系）bull; The polarization of a transverse wave describes the direction of (振动)in the plane perpendicular to the direction of travel. Light

whose electric field vector E points in the same direction(or in the direction opposite to this) is said to be linearly polarized(线偏振）■ Vector direction is called direction of polarization (偏振方向）bull; The plane of polarization (偏振面)is defined as a plane parallel both to the direction of oscillation of the electric field

vector and the direction of (传播方向）of

the wave.

We can regard the electric field vector E as a

coherent superposition（相干兹加）of two perpendicular

components labelled E1 and E2 ( see Figure 3. 7. 3) bull; The phase relationship between these two components can explain the different states of polarization. For example r if the phase relationship is random(随机的），light is not polarized. If the phase relationship is random, but more of one component is present,the light is partially polarized (部分偏振）bull; If the phase relationship is constant，the light is completely polarized (完全偏振）bull; More specifically，if the phase difference is 0 or 180 degrees，the light is linearly polarized. If the phase difference is 90 or 270 degrees and both components have the same amplitude(振幅)，the light is circularly polarized(圆偏振）bull; If a constant phase difference other than 0,90,180 or 270 degrees exists and/or the amplitudes of the components are not equal, then the light is elliptically polarized (滿圆偏振)bull; In case of circular or elliptical polarization，the plane of polarization rotates, in contrast to linear polarization where the plane of polarization is fixed. There are two directions of circularly ( or elliptically) polarized light. Right-hand circularly polarized light (右旋圆偏振光)is defined such that the electric field is rotating clockwise(顺时 针方向地)as seen by an observer towards whom the wave is moving. Left-hand circularly polarized light (左旋圆偏振光）is defined such that the electric field is rotating counterclockwise(逆日寸针方向地)as seen by an observer towards whom the wave is moving,

(see Figure 3* 7.4)

Degree of Polarization

The degree of polarization (偏振度) is basically a measure of the extent to which the light we are studying is polarized and is given by；

(3.7.1)

where Imin and Imax are the minimum and maximum intensities of the light (光强)at different planes of polarization respectively. For partially polarized light,this can also be written as：

(3.7.2)

where Ip is the intensity of the polarized portion and Iup is the intensity of the unpolarized portion. Sometimes V is called the fringe visibility（条纹可见度）bull; ^

Linear Polarizers

Certain materials have the property of transmitting an incident unpolarized light (非偏振光）in only one direction .Such materials are called dichroic (二向色性）.Polarizing sheets (偏振片）(which are dichroic) are manufactured by stretching long-chained polymer molecules(长链聚合物分子）after which they are saturated with dichroic materials such as iodine (碘)■ The direction perpendicular to the oriented molecular chains is called the transmission axis(透射

轴）of the polarizer. The sheet transmits only the component of the electric field vector parallel to its transmission axis. The component perpendicular to the transmission axis is completely absorbed ( this is called selectiveabsorption (选择性吸收））.Therefore，light emerging from the polarizer is linearly polarized in the direction parallel to the transmission axis. Figure 3, 7. 5 illustrates this idea.

Malusrsquo; Law

Consider a beam of plane polarized light(平面偏振光）which is incident on a polarizer. The

唰

intensity / of the transmitted light will be a function of the angle between the transmission axes of the polarized beam and the polarizer. This dependence is given by Malusrsquo; law，

(3.7.3)

where theta; is the angle between the transmission axes of the polarized beam and the polarizer. It is obvious from Equation ( 3. 7.3) that if theta;=90 (or 270) degrees, then I =0. We conclude that if the polarizer is rotated so that no light can pass through,then the polarizerrsquo;s transmission axis must be perpendicular to the polarization of the incident light. On the other hand, if the transmission axis is aligned with the polarization direction, theta; = 0 (or 180) degrees and the transmission is maximum(I=I0).In this experiment you will set up an experiment to measure the intensity of light transmitted through the polarizer as a function of theta;，Plot your data on an appropriate graph and test Malus law.

Birefringence (双折射）

Certain types of crystals, such as calcite(方解石）exhibit the property of double refraction（双折

射)or birefringence, as first observed in calcite by Erasmus Bartholinus in 1669. For the class

of crystals called uniaxial (单轴晶体），there is only one direction where all light rays travel along the same path at

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光的偏振

1. 目的

1.研究光的偏振

2.通过光在正交偏振器中的传播来验证马吕斯定律

3.测量多种不同类型偏振器的特性

4.探讨双折射波片的性质

5.观察石英晶体的旋光性

1. 实验器材

光学实验平台，白炽灯

半导体激光器，激光源

两个线性偏振器

半波片，四分之一波片

光电探测器，功率计，标有刻度的的旋转柱

1. 原理

光是一种横向电磁波，电场矢量、磁场矢量和传播方向形成一个正交系。横向波的偏振描述了光在水平方向向垂直方向上的振动。由于线性偏振，光的电场矢量指向同一个方向（或与之相反的方向）。其中，矢量方向称为偏振方向，平行于电场振动方向和光的传播方向的平面称为偏振面，电场矢量可以看是两组垂直电矢量的和的相干叠加。这两个矢量之间的相位关系可以解释不同的偏振态。例如：如果相位关系是随机的，光就不是偏振的；如果相位关系是随机的，但有超过一个方向的光存在，光波就是部分偏振；如果相位关系是恒定的，则光波为完全偏振。具体来说，如果相位差为0或者180°，光为线性偏振光；如果相位差为90度或270度并且分量都有相同的振幅，则光波为圆偏振光。如果一个恒定相位差在0、90、180或270度以外或分量的振幅不相等，则光为椭圆偏振光。在圆形偏振或椭圆偏振的情况下，偏振面的旋转是与固定的偏振平面的线性偏振相反的。其中，有两个方向的圆（或椭圆）偏振光。右旋圆偏振光是观察者面向光线方向时，电场方向为顺时针旋转，左旋圆偏振光为逆时针方向。

1. 偏振度

偏振度是用来衡量我们所定义的偏振光的角度的一个量。它是由下式给出：

3.7.1

其中,和分别代表不同偏振面上光强的最大值和最小值。

对于部分偏振光，偏振度也可表示为：

3.7.2

其中,是部分偏振光的强度，表示部分非偏振光的强度。有时也被称为条纹可见度。

1. 线性偏振器

某些材料具有仅在一个方向上发射非偏振光的特性，这种材料被称为二向色性材料。偏振片（二向色性）是由伸展的长链聚合物的分子结合而成，变为饱和二向性材料，类似于碘的构成。垂直于面向分子链的方向称为偏振片的透射轴，它仅将电场矢量的分量传输到其传输轴上。而垂直于透射轴的组件则是完全吸收状态（即所谓的选择性吸收）。从偏振器中出来的光是平行于透射轴方向的直线偏振光。

1. 马吕斯定律

考虑一束偏光入射的平面偏振光，透射光的强度是偏振光和偏振片的透射轴之间的角度函数，其中的关系由马吕斯定律给出：

3.7.3

其中，是偏振光束的偏光镜和透射轴之间的夹角。很明显在此方程中， 如果为90度或者270度，则,由此可知如果偏振片是可以旋转的，那么没有光可以通过，那么偏光镜的透射轴一定垂直与入射的偏振光。另一方面，如果透射轴与偏振方向平行，即或者180度且光强达到最大（）。在此次实验中，将会通过实验来测量通过偏振片的光的强度，并作为与有关的函数，记录相关数据并绘制图表来验证马吕斯定律。

1. 双折射

某些类型的晶体，如方解石表现出双折射的特性，这是由Erasmus Bartholinus于1669年在方解石中首次发现的。对于一些晶体，在一个方向上且仅有一个方向，所有的光线沿着相同的路径以恒定的速度行驶，该类晶体称为单轴晶体。这个方向所确定了光轴或主轴，和包含光轴任意平面组成为一个主平面（有时也称为主截面）。对于所有不是沿着光轴传播的光线，其速度是由双折射率所决定，即寻常折射率和非寻常折射率，入射光线的路径被分解成两种光，即o光和e光。图3.7.6显示的是非偏振光垂直入射进入双折射晶体。光的电场矢量分别分裂成平行和垂直于它们的主平面的两个分量。o光，其偏振光垂直于主平面，用一个圆点来表示，表明矢量E振荡进入和离开平面。e光由一个竖直箭头表示，表明其偏振面在其主平面内。o光持续通过晶体不会发生偏离，但e光会从直线路径上发生偏离（违反斯涅尔定律）。因此，当一个可视对象通过双折射晶体时，会看到两幅图像，一幅为保持晶体旋转的图像（o光），另一幅则为晶体旋转（e光）。图3.7.6双折射材料将光分解为两束偏振光束，普通折射率光线表现如预期一样，但是另一束非常折射率光线则不服从斯奈尔定律。

对于晶体来说其光轴的快慢取决于晶体本身。当光线以一个较高的相速度通过一个光轴后具有最小的折射率，那么这个轴称为快轴。同理，一个具有最高的折射率的轴称为慢轴，因为光线沿此轴的相速度最低。负单轴晶体（如方解石碳酸钙，蓝宝石）有＜，所以对于这类晶体的光轴为快轴。而对于正单轴晶体（如石英，氟化镁，金红石）＞，因此光轴为慢轴。

1. 减速器（波片）

双折射材料是构造减速器的基础，因为电场的两个分量在减速器中以不同的速率穿行，这在他们之中就会导致一个相位差，如图3.7.7，这种材料的Y轴在XOY平面上。一束任意偏振光沿Z轴传播时，通常都会进入波片。电场矢量E分为两个分量和，垂直于主截面YOZ，而平行于平面YOZ，光的两个分量会以不同的速度沿着相同的方向（Z轴）传播，而相位差取决于入射光的波长、折射率，和晶体的厚度d，它们之间的关系为：

3.7.4

由于任意相移，线性偏振会转换为椭圆偏振。

减速器的类型有很多，常见的有四分之一波板（）和半波板（），一个四分之一波板可以将线性偏振转换为圆偏振，反之亦然。为了获得圆偏振，双矢量分量的振幅必须是相等的，它们的相位差必须是90或270度。由图3.7.8很明显可以看出只有当入射的线性偏振方向与晶体的光轴方向夹角为45度时，两者的振幅才相等。半波板是说明弧度在E矢量的两个分量之间的相移，它主要用来充当线性偏振旋转器使光成为线性偏振光。如图3.7.9介绍了弧度的电场矢量的两个分量之间的相位差。

1. 光学活性

光学活性是指一类材料所具有的当光穿过这种材料的时候，线偏振光的平面可以旋转的性质。一些材料会产生一个顺时针旋转（右旋）的电场，而另一些则产生逆时针旋转（左旋）的电场。（观察者面向光的传播方向）。与光旋转角度密切相关的有：

①光束穿过物质的长度

②固体物质的密度或者液体的浓度

③入射光的波长

④物质的温度

此次试验将研究一个石英晶体的光学活性，其中电场的旋转角度，通过石英晶体的长度由下式给出：

3.7.5

其中，为石英晶体的光学活性。图3.7.10显示了本次试验中观察石英晶体的旋光度的基本试验装置，包括一个半导体激光器（A=635nm）和两个交叉的偏振器。

1. 步骤

在这个部分中，在探索光通过偏振器的行为的时候要会定性描述实验中所有的观察结果。

1. 测量半导体激光器的偏振度。

将半导体激光器、线性偏光镜和光电探测器按照如图3.7.11所示安装好。旋转偏振片P并观察功率计读数来确定来自激光器的光线是否偏振。记录光强的最大值和最小值，并计算上述方程3.7.1中激光的偏振度。

1. 验证马吕斯定律

将半导体激光器、起偏器、检偏器和光电探测器按照图3.7.12所示安装好。插入并旋转，最大限度地提高发射功率。然后插入，再次读出的最大值并记录的方向角作为原角（）。然后，把握合适的力度旋转，0°~90°中每10°旋转一次，在表3.7.1中记录相关数据并绘制图表来验证马吕斯定律。

1. 研究半波片对直线偏振光的影响

将半导体激光器、起偏器和检偏器、光电探测器分析仪按照图3.7.13所示安装好。旋转到最大发射功率，旋转阻止所有光的进入，然后从功率计上读出最小读数。此时两个偏振片相互交叉，记录的方向角作为原角（）。然后插入半波片并旋转直至再次光完全消失。记录半波片的方向角并作为原角（）。然后将半波片旋转，同上操作再次让光全部消失。每次改变，在之间测量8次，旋转实现光完全消失并记录于表3.7.2中，并试着解释和的关系。

保持的方向不变，将半波片旋转可以实现多少次光的完全消失？为什么？

让半波片不断改变方向角，将旋转，可以实现多少次光的完全消失？为什么？

试着解释如何使用半波片将一束直线偏振光到一个特定的角度。

1. 研究四分之一波片将线性偏振转变为椭圆偏振的影响。

将半导体激光器、起偏器、检偏器和光电探测仪按照图3.7.14安装好。旋转至最大发射功率，然后旋转使光完全消失。然后插入四分之一波片，旋转实现光完全消失，记录四分之一波片的方向角作为原角。将旋转，观察透射光强度读数是否有显著变化，其中可以实现多少次光完全消失？试着总结关于透射光偏振态的结论。

将四分之一波片旋转，然后将再次旋转，此时读数如何变化？关于透射光的偏振状态的结论又是什么？

将四分之一波片分别旋转，，，和，在表3.7.3中记录观察到的数据现象并作解释。

怎样设置角度来使偏振片和四分之一波片产生圆偏振？线性偏振呢？或者椭圆偏振？

1. 观察石英晶体的旋光度

将半导体激光器、起偏器，检偏器和光电探测仪按照图3.7.15安装好。旋转至最大发射功率，然后旋转使光完全消失，记录的方向角为原角。然后插入石英晶体并旋转使光再次完全消失。记录的旋转角度。是顺时针旋转（右旋）还是逆时针旋转（左旋）？

注意：

不要在光学仪器表面留下你的指纹。不要触摸镜片和镜面的光学表面。如果仪器光学表面是不干净的，请多加注意并迅速清除污点。

不要将光束指向别人，不要用眼睛直视激光束或者反射激光束，否则会对眼睛造成严重的损害。

1. 数据记录

表3.7.1 验证马吕斯定律

表3.7.2 研究半波片对直线偏振光的影响

半波片的旋转角度
检偏器的旋转角度

表3.7.3 研究四分之一波片将线性偏振转变为椭圆偏振的影响

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四分之一波片的旋转角度	将旋转，强度读数变化是否明显	将旋转，可以实现多少次光完全消失	透射光的偏振态