光的偏振性

安全注意事項

  1. 請不要用手或是面紙等去擦拭光學儀器及偏振片
  2. 請仔細讀完實驗原理

實驗目的:

  1. 藉由原理的說明使學生們能夠認識光的偏振並學習製造偏振光及 製作光隔離器。此外在進階實驗更進一步介紹偏振光在目前十分重要的應用-----橢圓偏光儀。

實驗原理 

TETM

偏振

        偏振(polarization)描述了一個均勻平面波在空間中一個固定點上的電場強度變化,是空間及時間的函數。
        偏振可以用二維向量來描述,可以是x及y的分量,也可以是以左旋及右旋(見 偏振光的種類 )來說明 。

反射光的偏振性

偏振光

        光是一種電磁波 一般的光線在前進時,電磁振動方向四面八方都有。如果電磁振動只發生在一個平面內,亦即電場振動方向及磁場振動方向固定的光稱為偏振光。其電場方向便稱為光的偏振方向。

偏振光的種類

        1. 線偏振光    -- 電場振動方向不隨時間變化的偏振光。

        2. 橢圓偏振光-- 電場振動方向的兩個正交分量相位、振幅不相同,形成橢圓偏振光。

        3. 圓偏振光    -- 光波電場振動方向的兩個正交分量相位不相同而振幅相同,形成圓偏振光。
 

偏光器

        偏光器可用來吸收某一方向之線偏振光,而輸出與其相垂直的線偏振光。可用偏光器來選擇某一特定方向之偏光,已偏化的光再經過一個偏光器時可全部通過或部分通過,視第二個偏光器的方向而定。

        以圖說明偏光器的功能
 

照相機偏光鏡

        偏光鏡的全名是偏振光濾色鏡(Polarized-light filter),簡稱PL鏡。顧名思義,偏光鏡的作用就是使偏光線通過的濾鏡。

        由於濾光鏡本身的特性,可以過濾一些因反射或散射所造成的光線,所以具有消除非金屬表面的反光和增強色彩飽和度的作用。因偏光鏡鏡面塗膜的關係,有些光會產生干涉現象而加強藍色光。所以,偏光 鏡一般用在
                1. 風景攝影上,凸顯藍天白雲的效果.
                2. 消除水面反光.
                3. 消除雪地散射光.
                4. 增加色彩飽和度.
                5. 加強藍色效果.
                6. 可以有較好的景深、有層次感

波片sheet polarizer

        是一種具雙折射性質的光學元件。光通過此元件時,電場沿某一方向(F 軸,快軸)振動的光速度較快,而電場沿與此方向相垂直之方向(S軸,慢軸)振動的光速度較慢。於是當此二方向之光要通過此光學元件時會產生相位差,若此相位差恰等於四分之一波長時,稱此光學元件為四分之一波片。若此相位差恰等於二分之一波長時,稱此光學元件為二分之一波片。四分之一波片及二分之一波片是利用此雙折射光學元件之厚度來控制,並且二個電場振動方向產生之相位差與通過此元件之光波長有關,不可任意調換使用。

    二分之一波片half-wave plate:
        線偏振光通過1/2波片後還是線偏振光。

    四分之一波片quarter-wave plate
        線偏振光通過1/4波片後有三種情形---
        線偏振、橢圓偏振、圓偏振(入射偏振方向與快軸夾45°)。
 

散射光的偏振性

       散射光的偏振性圖解....太陽光散射的偏振性
 

布魯司特角Brewster's angle:

        由一折射率為n1的介質進入折射率為n2的介質,若其入射角
Θ=tan-1(n2/n1),則偏振態位於入射面(入射線與法線構成者)上之光,其反射率為零,此角稱為布魯司特角。

        將一玻璃平板置於一適當位置上,當有一平行光入射此玻璃板時,會產生反射光與折射光的偏振方向相互垂直的情況,則此時的入射角度稱為布魯司特角。如果此處反射光是被平行偏振的話,則折射光就被垂直偏振。可應用在雷射系統中使激發出的雷射光達到同一偏振方向。

 

 請點選影像以進入放大圖

 

雙折射現象

        光在各向同性( isotropic )介質中(ex. 水、玻璃),光將沿折射定律所定的方向傳播。但在各向異性( anisotropic )的介質(ex. 方解石)會有一條光線被折射成二條光線的光學雙折射現象。
        雙折射晶體內存在二個軸,互相正交。一為快軸,一為慢軸。光入射於晶體時會被分解為沿這二個軸偏振的光---沿慢軸偏振光稱 ordinary light,沿快軸偏振光稱 extraordinary light,而這二分解的光會以不同的速度前進(因為沿這二個軸方向的折射率不等,n快軸<n慢軸),如果入射光與晶體面有一定的角度,則這二個分解的光的折射角也會不同,形成雙折射現象。這二束離開晶體的光是互相垂直的線偏振光,而雙折射分開的距離隨晶體的厚度而定。

光隔離器

         光隔離器控制光在一定方向傳播。
         做法:將線偏振光通過1/4波片後會便成圓偏振光,經過鏡子反射後,圓偏振方向會反向,循原路再經過1/4波片,圓偏振光會再變回線偏振光,只是偏振方向與原來的線偏振方向垂直,而無法通過偏振片,達到光隔離的效果。

實驗裝置

 

1/2波片和1/4波片

待測線性偏振片

 

波片旋轉架

旋轉台

線性偏振片及旋轉架

 

此3張為儀器設置

 

實驗步驟 

a. 轉動偏振片觀察反射光
 1. 利用偏振片觀察桌面日光燈的反射光,並記錄偏振片角度與亮度的關係
 2. 觀察其他物體表面反射光,重複上述實驗

b. 利用前一個步驟的實驗結果,判斷線性偏振片的偏振方向。

c. 轉動偏振片觀察燈源
 1. 轉動線性偏振片觀察日光燈,並記錄偏振片角度與光亮度的關係
 2. 觀察兩線性偏振片相對角度和光亮度的關係

d. 判斷1/2及1/4玻片
  1.偏振方向互相垂直的兩片線性偏振片中間擺放1/4及1/2玻片,
     並旋轉之,觀察有何現象。
  2. a.當我們在光路上放一個線性偏振片,並且旋轉偏振片時
     ,透射光強度有無改變
     b.若在前述的偏振片之前,再加裝一片1/4玻片且玻片
       角度不為零時;則在偏振片旋轉時﹐光強度會有變化
      ,但是在任何角度,都不會得到透射光強度為零的情況

e.尋找圓偏振光
   因為1/4波片並非完美,因此無法做出理想的圓偏振光,所以只要
   找出最接近圓偏振光的波片角度即可
      1.在光路上的儀器依序為,燈源.放大鏡.垂直線性偏振片.
        1/4玻片.水平線性偏振片.光強度計。
      2.在兩偏振片間放置一1/4玻片,將玻片的角度轉至40度,
        再轉動第二偏振片角度,紀錄光強度最大及最小值
      3.將波片角度逐次增加2度,重複以上動作增加至51度
      4.將其最大最小值的差(縱軸)角度(橫軸)做圖
      5.找出最接近圓偏振光的角度
      6.計算長軸與水平方向的夾角以及長短軸光強度的比

f. 製作光隔離器
  1.裝置如圖所示

 

  2.光原先使用雷射。首先將雷射光打入以上那些器材,
     並調整鏡子使光的來回路徑相同
  3.在分光鏡反射光處架設一屏幕
  4.轉動1/4玻片並觀察1/4玻片角度與反射光亮度的關係,
    並與前面e步驟圓偏振光做比較,分析其中的關係
  5.將燈源改成燈泡並在分光鏡前加裝一凸透鏡,使光為平行光
    其他步驟如上面1-2的步驟但第3步驟不設屏幕,改為直接以眼睛
    觀察。

g.觀察應力與偏振光的關係
  1.在軌道上依次為.燈泡光源,放大鏡,垂直線性偏振片,
     普通的玻璃片,水平線性偏振片
  2.用烙鐵加熱玻璃片並在水平偏振片後觀察玻璃片有何不同
    (要很用心,很敏銳的觀察,因為變化很小﹚
  3.改變加熱源的形狀,並觀察其變化。
  注意:加熱玻璃片前必須確定兩片線性偏振片是互相垂直的,即光是
        最暗時。

h. 尋找布魯斯特角
  1.將燈光打入一界面(壓克力板),並利用偏振片觀察反射光。
     接著旋轉偏振片使反射光最暗時,固定偏振片方向。

  2.再將固定角度的偏振片放入燈光前,,光線經介質反射由
    人眼觀察,旋轉界面可以得到某一角度使反射光最暗
      ,此即為布魯斯特角的位置。

  3.量取入射線和法線的夾角(即布魯斯特角).

h.雙折射性實驗
  1.在燈光下白紙上畫一條線,將方解石放在線上,可以很明顯的
    看見有兩條線.
  2.用偏振片看,改變觀察角度,或者旋轉偏振片即可以發現兩線
    交替出現. 注意若折線光恰好沿著結晶的光軸方向前進,
    便看不到雙折射現象了(此為方解石的重要特性).
 

問題與討論:

  1. 如何判斷光線的偏振性---線偏振、圓偏振、橢圓偏振?
  2. 何以偏振片的顏色都是暗黑色的?
  3. 不利用儀器判斷出一片線性偏振片的絕對偏振方向?
  4. 用一片偏振片觀察強化玻璃、金屬面反射光線、水面反射光線、非金屬面反射光線,比較出它們的不同 。

 

參考資料
  1. Classical Electrodynamics Sec7.2, 2nd Edition, J.D. Jackson, Wesley.
  2. Introduction to Optics Chpter20, 2nd Edition, F.L. Pedrotti. S.J..Leno S. Pedrotti.,Prentice Hall.
  3. PHOTONICS SPECTRA, July 1999,p138 In-Line Ellipsometer Measures Wafers on the Fly.

參考網頁

  1. 偏光膜介紹   http://www.pida.org.tw/pida/normem/optolink/v20/tec1.html
  2. 光電科技概論  http://www.auto.fcu.edu.tw/~cslin/eduteach/oliver/nn/index.html
  3. 自動化橢圓光儀中文網頁  http://www.pidc.gov.tw/Publication/Newsletter/no3/p03.html
  4. Polarization    http://www-wilson.ucsd.edu/education/spectroscopy/spintrolinear.html
  5. Ellipsometer   http://www.onramp.tuscaloosa.al.us/~ddesmet/we/

 

進階實驗 -- 橢圓偏光儀

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