偏振光經(jīng)波片后偏振態(tài)變化
——大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容改進(jìn)設(shè)計

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

1 引言

目前，傳統(tǒng)物理實驗常開設(shè)成只讓學(xué)生完成一個實驗內(nèi)容對一個實驗問題或理論進(jìn)行測量驗證，這在一定程度上限制了學(xué)生創(chuàng)新思考和綜合實驗?zāi)芰?，學(xué)生只學(xué)會用得到的知識指導(dǎo)完成規(guī)定實驗內(nèi)容，不懂遷移.失去理論指導(dǎo)實踐的價值.

2 線偏振光通過波片后的偏振態(tài)變化理論

改進(jìn)的實驗內(nèi)容：只向?qū)W生提供光學(xué)元件，不提供偏振片和波片的光軸信息，課前教師告知學(xué)生實驗條件與實驗?zāi)康?引導(dǎo)學(xué)生自主查閱資料、思考要解決的問題，并簡單構(gòu)建實驗流程，課中教師再對學(xué)生討論分享的實驗流程進(jìn)行分析.

3 實驗流程

首先進(jìn)行儀器實驗前的調(diào)正，將載物平臺調(diào)整水平狀態(tài)，物臺調(diào)正.

3.1 確定偏振片的透振方向

我們提出一種確定偏振片透振方向的方法，即巧用布儒斯特角法.其原理是：當(dāng)入射光為P分量時，只有以布儒斯特角入射，才能令得到反射光的強度為零.

如圖1所示擺放元件，先使偏振方向在任一角度，轉(zhuǎn)動平面鏡使反射角在50°～60°之間變化，觀察光點亮暗變化，確定光點最暗位置.

圖1 利用布儒斯特角確定起(檢)偏器的透振方向光路圖

再旋轉(zhuǎn)偏振片改變透振方向角度，觀察屏上光點亮暗變化，到達(dá)光點最暗位置時不再旋轉(zhuǎn).重復(fù)以上兩步驟至反射光點強度接近零，此時透振方向恰與入射平面平行，讀出此時的偏振片角度即為偏振片水平透振方向[2].

確定兩塊偏振片P1與P2的透振方向，記錄表征偏振片水平偏振的指示角度,如表1所示.

表1 偏振片水平偏振方向

3.2 確定波片的光軸方向

表波片可能的光軸方向

下面介紹區(qū)別波片光軸方向(以下簡稱快軸)和垂直光軸的方向(以下簡稱慢軸)的一種簡便方法.以本實驗所用負(fù)晶體(no>ne)波片為例，其原理是：光軸與入射平面成不同角度時相應(yīng)的布儒斯特角不同.波片繞法線轉(zhuǎn)動，當(dāng)使光軸平行于入射面(圖2中θ=0°，對應(yīng)在晶體中為o光),這種情況下找到的布儒斯特角記作iBo;當(dāng)使光軸垂直于入射面(圖2中θ=90°，對應(yīng)在晶體中為e光),這種情況下找到的布儒斯特角記作iBe，負(fù)晶體(no>ne)存在iBo>iBe確定關(guān)系, 正晶體(no

做法是將波片垂直置于載物平臺中心處，激光光束入射波片，在入射光路插入水平透振方向的起偏器，將波片角度轉(zhuǎn)成θ=0°，轉(zhuǎn)動載物平臺改變?nèi)肷浣莍至觀察到反射光點最暗，轉(zhuǎn)動波片使光點進(jìn)一步調(diào)至最暗，反復(fù)操作，和θ=90°讀出對應(yīng)不同載物平臺的位置時的兩個布儒斯特角，較大布儒斯特角對應(yīng)的波片旋轉(zhuǎn)位置即波片光軸處水平的位置.結(jié)果如表3所示.

圖2 區(qū)別波片光軸方向和垂直方向?qū)嶒炘?/p>

波片旋角旋至365°波片旋角旋至275°布儒斯特角58.3°56°說明此時波片是波片光軸以θ=0°擺放波片光軸以θ=90°擺放

3.3 探究線偏振光通過波片后的偏振態(tài)變化情況和對應(yīng)條件

(1)按圖3搭建實驗光路，注意調(diào)節(jié)各儀器等高共軸.

圖3 實驗光路

(2)P1暫不動，旋轉(zhuǎn)P2一周直至P2轉(zhuǎn)至某一合適角度時，根據(jù)是否消光確定P1與P2透振方向垂直，保持P1,P2互成垂直地同步旋轉(zhuǎn)P1和P2，每組記下起偏器P1角度θ2，并與波片角度θ1作對比，得θ2-θ1.每次確定合適的θ2-θ1后，記錄旋轉(zhuǎn)P2一周得到的檢流計最小讀數(shù).直至P1旋轉(zhuǎn)完360°，完成一次實驗.

4 實驗數(shù)據(jù)處理與分析

將測得的數(shù)據(jù)列成表格，并使用Matlab軟件，以極坐標(biāo)的形式，光強作為極徑，P2的角度作為極角繪制圖形.

表4 P1與B夾角為0°，轉(zhuǎn)動P2一周，檢流計的示數(shù)變化

表5 P1與B夾角為20°，轉(zhuǎn)動P2一周，檢流計的示數(shù)變化

表6 P1與B夾角為45°，轉(zhuǎn)動P2一周,檢流計的示數(shù)變化

表7 P1與B夾角為90°，轉(zhuǎn)動P2一周，檢流計的示數(shù)變化

表8 P1與B夾角為150°(或30°)，轉(zhuǎn)動P2一周，檢流計的示數(shù)變化

圖4 I極坐標(biāo)圖

從數(shù)據(jù)和圖像知，在實驗誤差允許范圍內(nèi)，可驗證：當(dāng)線偏振光垂直射入一塊表面平行于光軸的晶片時，其振動面與晶片的光軸成θ角.

在P1轉(zhuǎn)到θ=45°時，P2轉(zhuǎn)動360°的過程中光強始終不變，即檢流計顯示示數(shù)最大值總是等于最小值，此時可證出射光是圓偏振光(根據(jù)理論，已排除出射光是自然光的可能).

在P1轉(zhuǎn)到其他值時，P2轉(zhuǎn)動360°的過程中檢流計示數(shù)有變(區(qū)別于圓偏振光)，且最小值不近似為零(區(qū)別于線偏振光)，此時可證出射光是橢圓偏振光(根據(jù)理論，已排除出射光是部分自然光的可能).

分析實驗誤差主要來源于:

(1)經(jīng)過仔細(xì)調(diào)整實驗平臺后，仍無法非常嚴(yán)格地使兩偏振片與激光垂直；

(2)激光器發(fā)出的光不夠穩(wěn)定；

(3)偏振片指示角度和實際偏振方向有一定偏差，比如設(shè)置偏振片與波片夾角為45°時，最后效果并不是嚴(yán)格的45°，以至于最后發(fā)射出來的光未能形成圓偏振光，在極坐標(biāo)下顯示的圖形有些變形；

(4)檢流計讀數(shù)不穩(wěn)定，容易造成誤差.

5 小結(jié)