王小云，鄧 科，孫 晶，黃勇剛，汪宗成

(吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 吉首 416000)

橢圓偏振光與部分偏振光的實驗現(xiàn)象分析*

王小云，鄧 科，孫 晶，黃勇剛，汪宗成

(吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 吉首 416000)

由于部分偏振光與橢圓偏振光經(jīng)旋轉(zhuǎn)偏振片后，其光強(qiáng)發(fā)生相似的變化，所以難以區(qū)分.采用在橢圓偏振光路中加入2片1/4波片，在部分偏振光光路中加入1片1/4波片，從而加以區(qū)分.實驗結(jié)果表明，部分偏振光的光強(qiáng)發(fā)生變化，但是沒有出現(xiàn)消光現(xiàn)象，橢圓偏振光通過1/4波片變成淺偏振光，出現(xiàn)消光現(xiàn)象.

橢圓偏振光;部分偏振光;偏振片;1/4波片

從1669年E.Bartholin發(fā)現(xiàn)冰洲石晶體(CaCO3)的雙折射現(xiàn)象起，人們就對光的偏振現(xiàn)象開始了觀察與研究.1690年惠更斯從理論上對光的偏振現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)說明.1704年牛頓把偏振的概念引入光學(xué)中，他認(rèn)為光與磁鐵有相似之處，如在沿著磁鐵的方向與垂直磁鐵的方向它們是不平等的.光是一種橫波，即電矢量與傳播方向是互相垂直的.電矢量所在平面內(nèi)的具體的振動方式，稱為光的偏振態(tài)［1-4］.光的偏振態(tài)可以分為4類:線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光和部分偏振光.當(dāng)偏振光經(jīng)過波片以后它的偏振態(tài)會發(fā)生變化，若是橢圓偏振光與部分偏振光，由于在旋轉(zhuǎn)偏振片的過程中光強(qiáng)會發(fā)生相似的變化，不容易區(qū)分開，這一直是教學(xué)過程中的難點(diǎn)［5-8］.對于實驗操作過程中旋轉(zhuǎn)方向的分析與判斷，普通的光學(xué)教材中也少有詳細(xì)介紹.由于在偏振光技術(shù)的實際應(yīng)用與研究中，需要準(zhǔn)確快速地判別光的偏振態(tài)變化，所以通過再加入1塊1/4波片快速從光強(qiáng)變化中區(qū)分，從而加深2種難于區(qū)分的偏振光的偏振特性的理解.

1 實驗儀器

儀器:He-Ne激光器(632.8 nm);偏振片(2片:起偏器，檢偏器);X軸旋轉(zhuǎn)2維架(2個);白屏;通用底座;1維底座(2個);1/4波片(2個).

2 橢圓偏振光的產(chǎn)生和檢驗

橢圓偏振光的產(chǎn)生裝置如圖1所示.讓He-Ne激光器射出的光通過凸透鏡進(jìn)行光束擴(kuò)大，在凸透鏡后面依次放偏振片(起偏器)、1/4波片、白屏.調(diào)至各元件光軸平行，在白屏上得到如圖2所示的圖像，即為橢圓偏振光.

圖1 橢圓偏振光的產(chǎn)生裝置

圖2 橢圓偏振光

在1/4波片和白屏之間加入1片偏振片(檢偏器)，如圖3所示.旋轉(zhuǎn)檢偏器則發(fā)現(xiàn)圖像發(fā)生變化，但沒有出現(xiàn)消光現(xiàn)象.從光強(qiáng)達(dá)到最大時開始記下白屏上圖像變化的情況得到如圖4所示的圖像.

圖3 橢圓偏振光通過檢偏器的實驗裝置

圖4 橢圓偏振光通過檢偏器時檢偏振光旋轉(zhuǎn)不同角度時的透射光變化規(guī)律

當(dāng)白屏上光強(qiáng)最大時，在檢偏器和1/4波片之間再加1片1/4波片，如圖5所示.使其光軸與檢偏器的透射方向平行，此時開始記下白屏上圖像變化的情況，如圖6所示.

實驗表明:橢圓偏振光通過檢偏器，檢偏器旋轉(zhuǎn)不同角度時，在白屏上的圖像發(fā)生變化，但不出現(xiàn)消光現(xiàn)象;橢圓偏振光通過1/4波片，在白屏上圖像的變化規(guī)律和沒通過1/4波片圖像的變化規(guī)律不同，且出現(xiàn)了消光現(xiàn)象，變成了線偏振光.這說明橢圓偏振光是由各個方向振幅不同的相干光構(gòu)成.

圖5 橢圓偏振光通過1/4波片和檢偏器的實驗裝置

圖6 橢圓偏振光通過1/4波片和檢偏器時偏振光旋轉(zhuǎn)不同角度時的透射光變化規(guī)律

3 部分偏振光的產(chǎn)生和檢驗

部分偏振光的產(chǎn)生裝置如圖7所示.讓He-Ne激光器射出的光通過凸透鏡進(jìn)行光束擴(kuò)大，斜射在玻璃堆上，將反射光垂直照射在白屏上，白屏上的圖像即為部分偏振光，如圖8所示.

在玻璃堆和白屏之間加入1片偏振片作為檢偏器，使反射光經(jīng)過偏振片中心，旋轉(zhuǎn)偏振片，發(fā)現(xiàn)圖像發(fā)生變化，但沒有出現(xiàn)消光現(xiàn)象.從光強(qiáng)達(dá)到最大時開始記下白屏上圖像變化的情況，如圖9所示.

圖7 部分偏振光的產(chǎn)生裝置

圖8 部分偏振光

圖9 部分偏振光通過檢偏器時偏振光旋轉(zhuǎn)不同角度時的透射光變化規(guī)律

當(dāng)白屏上光強(qiáng)最大時，在檢偏器和玻璃堆之間加1片1/4波片，使其光軸與偏振片的透射方向平行，從此時開始記下白屏上圖像變化，如圖10所示.

圖10 部分偏振光通過1/4波片、檢偏器時偏振光旋轉(zhuǎn)不同角度時的透射光變化規(guī)律

實驗表明:部分偏振光通過檢偏器，檢偏器旋轉(zhuǎn)不同角度時，在白屏上出現(xiàn)的圖像發(fā)生變化，但不出現(xiàn)消光現(xiàn)象;部分偏振光通過1/4波片后，在白屏上圖像的變化規(guī)律和沒通過1/4波片圖像的變化規(guī)律一樣，這說明部分偏振光是由各個方向振幅不等的非相干光構(gòu)成.

4 結(jié)語

線偏振光通過1/4波片變成橢圓偏振光，橢圓偏振光通過偏振片(檢偏器)，檢偏器旋轉(zhuǎn)不同角度時光強(qiáng)發(fā)生變化，但不出現(xiàn)消光現(xiàn)象;橢圓偏振光通過1/4波片，且1/4波片的光軸與橢圓的1個主軸平行時，橢圓偏振光變成線偏振光;自然光入射到玻璃堆反射出來的光是部分偏振光，部分偏振光通過偏振片(檢偏器)，檢偏器旋轉(zhuǎn)不同角度時光強(qiáng)發(fā)生變化，但不出現(xiàn)消光現(xiàn)象，部分偏振光1/4波片，沒有發(fā)生任何變化，還是部分偏振光.從此現(xiàn)象可以區(qū)別橢圓偏振光與部分偏振光，主要就是在光路中再加入1塊1/4波片后，橢圓偏振光會出現(xiàn)消光現(xiàn)象，而部分偏振光卻不會.

［1］ 楊之昌，王潛智，邱榴貞.物理光學(xué)實驗(上冊)［M］.上海:上?？萍汲霭嫔?，1986:304-374.

［2］ 大連工學(xué)院數(shù)理力學(xué)系光測組.光彈性實驗［M］.北京:國防科技出版社，1978:98-107.

［3］ 姚啟鈞.光學(xué)教程［M］.第3版.北京:高等教育出版社，2006:58-61.

［4］ 陳 聰.大學(xué)物理實驗［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2008:157-165.

［5］ R.M.A.阿查姆，N.M.巴夏拉.橢圓偏振測量術(shù)和偏振光［M］.北京:科學(xué)出版社，1986:279-326.

［6］ 廖延彪.偏振光學(xué)［M］.北京:科技出版社，2003:1-343.

［7］ 謝莉莎，肖 蘇，劉彩霞.橢圓偏振光與部分偏振光的實驗驗證［J］.物理通報，2006，23(4):38-39.

［8］ 紀(jì)延俊，杜玉杰，王緒安.偏振光經(jīng)波片后旋轉(zhuǎn)特性分析［J］.濱州學(xué)院學(xué)報，2008，24(6):72-74.

(責(zé)任編輯 陳炳權(quán))

Experimental Study on Elliptically Polarized Light and Partially Polarized Light

WANG Xiao-yun，DENG Ke，SUN Jing，HUANG Yong-gang，WANG Zong-cheng
(College of Physics and Mechanical＆Electrical Engineering，Jishou University，Jishou 416000，Hunan China)

Elliptically polarized light and partially polarized light show similar change in light intensity through a rotatable，so it is difficult to differentiate them.Application of two 1/4 wave plates in the path of elliptically ploarized light and one 1/4 wave plate in the path of partially polarized light is a way to distinguish them from each other.The experiment results showed that the intensity of partially polarized light changed with no extinction phenomenon，but the intensity of elliptically polarized light changed with the extinction phenomenon，and the elliptial polarized light changed into shallow polarized light through 1/4 wave plate.

elliptically polarized light;partially polarized light;polarizer;1/4 wave plate

O436

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2013.02.009

1007-2985(2013)02-0041-05

2012-12-09

國家自然科學(xué)基金資助項目(11264011，11104113);湖南省自然科學(xué)基金資助項目(13JJ6059，11JJ6007)

王小云(1975-)，女，湖南慈利人，吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院副教授，博士生，主要從事凝聚物理相關(guān)理論研究.