偏振光經波片后偏振態變化
——大學物理教學內容改進設計

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

1 引言

目前，傳統物理實驗常開設成只讓學生完成一個實驗內容對一個實驗問題或理論進行測量驗證，這在一定程度上限制了學生創新思考和綜合實驗能力，學生只學會用得到的知識指導完成規定實驗內容，不懂遷移.失去理論指導實踐的價值.

2 線偏振光通過波片后的偏振態變化理論

改進的實驗內容：只向學生提供光學元件，不提供偏振片和波片的光軸信息，課前教師告知學生實驗條件與實驗目的,引導學生自主查閱資料、思考要解決的問題，并簡單構建實驗流程，課中教師再對學生討論分享的實驗流程進行分析.

3 實驗流程

首先進行儀器實驗前的調正，將載物平臺調整水平狀態，物臺調正.

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

再旋轉偏振片改變透振方向角度，觀察屏上光點亮暗變化，到達光點最暗位置時不再旋轉.重復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的布儒斯特角不同.波片繞法線轉動，當使光軸平行于入射面(圖2中θ=0°，對應在晶體中為o光),這種情況下找到的布儒斯特角記作iBo;當使光軸垂直于入射面(圖2中θ=90°，對應在晶體中為e光),這種情況下找到的布儒斯特角記作iBe，負晶體(no>ne)存在iBo>iBe確定關系, 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，將波片角度轉成θ=0°，轉動載物平臺改變入射角i至觀察到反射光點最暗，轉動波片使光點進一步調至最暗，反復操作，和θ=90°讀出對應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的波片旋轉位置即波片光軸處水平的位置.結果如表3所示.

圖2 區別波片光軸方向和垂直方向實驗原理

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變化情況和對應條件

(1)按圖3搭建實驗光路，注意調節各儀器等高共軸.

圖3 實驗光路

(2)P1暫不動，旋轉P2一周直至P2轉至某一合適角度時，根據是否消光確定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P2一周得到的檢流計最小讀數.直至P1旋轉完360°，完成一次實驗.

4 實驗數據處理與分析

將測得的數據列成表格，并使用Matlab軟件，以極坐標的形式，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°，轉動P2一周，檢流計的示數變化

表5 P1與B夾角為20°，轉動P2一周，檢流計的示數變化

表6 P1與B夾角為45°，轉動P2一周,檢流計的示數變化

表7 P1與B夾角為90°，轉動P2一周，檢流計的示數變化

表8 P1與B夾角為150°(或30°)，轉動P2一周，檢流計的示數變化

圖4 I極坐標圖

從數據和圖像知，在實驗誤差允許范圍內，可驗證：當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轉到θ=45°時，P2轉動360°的過程中光強始終不變，即檢流計顯示示數最大值總是等于最小值，此時可證出射光是圓偏振光(根據理論，已排除出射光是自然光的可能).

在P1轉到其他值時，P2轉動360°的過程中檢流計示數有變(區別于圓偏振光)，且最小值不近似為零(區別于線偏振光)，此時可證出射光是橢圓偏振光(根據理論，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)經過仔細調整實驗平臺后，仍無法非常嚴格地使兩偏振片與激光垂直；

(2)激光器發出的光不夠穩定；

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

(4)檢流計讀數不穩定，容易造成誤差.

5 小結