偏振光经波片后偏振态变化——大学物理教学内容改进设计

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

1 引言

目前，传统物理实验常开设成只让学生完成一个实验内容对一个实验问题或理论进行测量验证，这在一定程度上限制了学生创新思考和综合实验能力，学生只学会用得到的知识指导完成规定实验内容，不懂迁移.失去理论指导实践的价值.

2 线偏振光通过波片后的偏振态变化理论

改进的实验内容：只向学生提供光学元件，不提供偏振片和波片的光轴信息，课前教师告知学生实验条件与实验目的,引导学生自主查阅资料、思考要解决的问题，并简单构建实验流程，课中教师再对学生讨论分享的实验流程进行分析.

3 实验流程

首先进行仪器实验前的调正，将载物平台调整水平状态，物台调正.

3.1 确定偏振片的透振方向

我们提出一种确定偏振片透振方向的方法，即巧用布儒斯特角法.其原理是：当入射光为P分量时，只有以布儒斯特角入射，才能令得到反射光的强度为零.

如图1所示摆放元件，先使偏振方向在任一角度，转动平面镜使反射角在50°～60°之间变化，观察光点亮暗变化，确定光点最暗位置.

图1 利用布儒斯特角确定起(检)偏器的透振方向光路图

再旋转偏振片改变透振方向角度，观察屏上光点亮暗变化，到达光点最暗位置时不再旋转.重复以上两步骤至反射光点强度接近零，此时透振方向恰与入射平面平行，读出此时的偏振片角度即为偏振片水平透振方向[2].

确定两块偏振片P1与P2的透振方向，记录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 确定波片的光轴方向

表波片可能的光轴方向

下面介绍区别波片光轴方向(以下简称快轴)和垂直光轴的方向(以下简称慢轴)的一种简便方法.以本实验所用负晶体(no>ne)波片为例，其原理是：光轴与入射平面成不同角度时相应的布儒斯特角不同.波片绕法线转动，当使光轴平行于入射面(图2中θ=0°，对应在晶体中为o光),这种情况下找到的布儒斯特角记作iBo;当使光轴垂直于入射面(图2中θ=90°，对应在晶体中为e光),这种情况下找到的布儒斯特角记作iBe，负晶体(no>ne)存在iBo>iBe确定关系, 正晶体(no

做法是将波片垂直置于载物平台中心处，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，将波片角度转成θ=0°，转动载物平台改变入射角i至观察到反射光点最暗，转动波片使光点进一步调至最暗，反复操作，和θ=90°读出对应不同载物平台的位置时的两个布儒斯特角，较大布儒斯特角对应的波片旋转位置即波片光轴处水平的位置.结果如表3所示.

图2 区别波片光轴方向和垂直方向实验原理

波片旋角旋至365°波片旋角旋至275°布儒斯特角58.3°56°说明此时波片是波片光轴以θ=0°摆放波片光轴以θ=90°摆放

3.3 探究线偏振光通过波片后的偏振态变化情况和对应条件

(1)按图3搭建实验光路，注意调节各仪器等高共轴.

图3 实验光路

(2)P1暂不动，旋转P2一周直至P2转至某一合适角度时，根据是否消光确定P1与P2透振方向垂直，保持P1,P2互成垂直地同步旋转P1和P2，每组记下起偏器P1角度θ2，并与波片角度θ1作对比，得θ2-θ1.每次确定合适的θ2-θ1后，记录旋转P2一周得到的检流计最小读数.直至P1旋转完360°，完成一次实验.

4 实验数据处理与分析

将测得的数据列成表格，并使用Matlab软件，以极坐标的形式，光强作为极径，P2的角度作为极角绘制图形.

表4 P1与B夹角为0°，转动P2一周，检流计的示数变化

表5 P1与B夹角为20°，转动P2一周，检流计的示数变化

表6 P1与B夹角为45°，转动P2一周,检流计的示数变化

表7 P1与B夹角为90°，转动P2一周，检流计的示数变化

表8 P1与B夹角为150°(或30°)，转动P2一周，检流计的示数变化

图4 I极坐标图

从数据和图像知，在实验误差允许范围内，可验证：当线偏振光垂直射入一块表面平行于光轴的晶片时，其振动面与晶片的光轴成θ角.

在P1转到θ=45°时，P2转动360°的过程中光强始终不变，即检流计显示示数最大值总是等于最小值，此时可证出射光是圆偏振光(根据理论，已排除出射光是自然光的可能).

在P1转到其他值时，P2转动360°的过程中检流计示数有变(区别于圆偏振光)，且最小值不近似为零(区别于线偏振光)，此时可证出射光是椭圆偏振光(根据理论，已排除出射光是部分自然光的可能).

分析实验误差主要来源于:

(1)经过仔细调整实验平台后，仍无法非常严格地使两偏振片与激光垂直；

(2)激光器发出的光不够稳定；

(3)偏振片指示角度和实际偏振方向有一定偏差，比如设置偏振片与波片夹角为45°时，最后效果并不是严格的45°，以至于最后发射出来的光未能形成圆偏振光，在极坐标下显示的图形有些变形；

(4)检流计读数不稳定，容易造成误差.

5 小结