偏振光衍射现象中的光强变化研究

第38卷 第3期2010年5月河南师范大学学报(自然科学版) J our nal of H enan N or mal Univer sity (N atur al Science ) Vol. 38 N o. 3 M ay. 2010 文章编号:1000-2367(2010) 03-0064-03

偏振光衍射现象中的光强变化研究

杜丽军, 王 昕, 龚 提, 常方高

(河南师范大学物理与信息工程学院, 河南新乡453007)

摘 要:研究了线偏振光的单缝衍射现象, 发现线偏振光的衍射光强分布受偏振方向与狭缝间相对取向的制

约. 发现起偏方向平行于狭缝时, 衍射零级光强最大, 起偏方向垂直于狭缝时, 衍射零级光强最小, 拟合出了光强随相对偏振化方向变化的I -U 函数分布曲线及光强分布图像, 分析讨论了可能影响I -U (线偏振光的衍射光强分布随偏振方向与狭缝间相对夹角变化) 分布的一些因素. 为进一步研究光与物质相互作用的机理提供一定的实验数据和线索.

关键词:线偏振光; 衍射; 光强分布

中图分类号:O 436文献标志码:A

近期一些研究表明, 光在穿过孔径物体时, 会对物体边缘的原子排布, 表面电荷密度分布, 以及时空频率场产生一定的影响[1-3]. 已经观测绘制出小孔衍射形成的详细过程. 众所周知, 在光通过小孔的过程中所发

[4]生的一些反常变化, 实质是由光与孔物质间相互作用引起, 关于光对物质影响现象已经有很多报道, 如零偏振度(通常是自然光) 光衍射、通过线偏振光衍射测量狭缝宽度时存在差异等现象. 本文给出在线偏振光

(偏振度P=1) 穿过狭缝时物质对光传播影响的一些实验事实(主要是光强变化) , 并作适当分析, 试图探索衍射过程中物质与偏振光的相互作用机制.

1 实验技术

1. 1 实验仪器

稳定功率输出的H e -Ne(波长623. 8nm) 激光器1台(实验选用JGD -1型激光仪) , 光学导轨1台, 偏振片1个, 狭缝1个, 硅电池感应计1个, 复射式检流计1个(AC15-JB690-65) , 数字万用表1台, 游标卡尺1个, 卷尺1个, 光具座若干(有横向调节功能) .

1. 2 实验原理

激光穿过起偏器光强减半, 转化为线偏振光(偏振方向与起偏器指针平行) , 经过狭缝发生衍射, 硅光电池将接收到的零级衍射斑的光强转化为电信号, 经检流计读出光电流示数.

实验通过转动起偏器指针来改变照射在狭缝上的线偏振光的振动方向, 同时记录对应于各个偏振方向的光电流读数, 从而发现偏振方向的不同对狭缝衍射斑强度的影响. 按实验原理要求摆放各光学元件如图1所示, 设激光源出射光孔位置为0cm. 沿光轴方向, 起偏器置于5cm 处, 狭缝置于18cm 处, 硅电池感应计位于89cm 处, 接收屏置于143. 2cm 处, 狭缝至屏距离125. 2cm.

2 实验结果

2. 1 缝水平时对线偏振光衍射的测定

实验中, 首先选择狭缝宽度d =3. 992@10

收稿日期:2009-10-19

基金项目:国家自然科学基金(60571063) , , -2m m 置于水平固定不动, 旋转偏振片, 记录不同偏振方向对

第3期 杜丽军等:偏振光衍射现象中的光强变化研究65应的衍射零级光电流, 偏振角度

的计量从水平开始逆时针方向

为正. 得到的光电流随偏振角度

变化在笛卡尔坐标系中如图2所

示(圆点表示实际测量值).

在所测数据中, 线偏振光的

偏振方向与狭缝取向平行时对应

的平均光电流强度 I M =

15. 10407L A , 线偏振光偏振方

向与狭缝取向垂直时对应的平均

光电流强度 I L =12. 83975L A ,

整个旋转周期中所对应的平均光

电流强度 I =13. 97191L A. 可见偏振光方向与狭缝取向平行时

光强最大, 偏振方向与狭缝取向垂直时光强最小. 二者之间

差值为

$I = I M - I L =2. 26432L A.

使用唯象的方法拟合I-U 曲线为(如图2) :

I =(1. 131cos 2U +13. 9722) L A.

2. 2 缝竖直时对线偏振光衍射的测定

为了验证光强随偏振方向的变化是由与狭缝相对光振

动方向不同所引起, 并进一步研究狭缝等因素对光强的影

响, 下文给出不同狭缝取向下的实验结果. (分析方法类似

于2. 1)

为了排除狭缝自身取向可能对衍射光强分布产生影

响, 将宽度d =9. 724@10-2mm 的狭缝置于竖直固定不动, 旋转偏振片, 记录不同偏振方向对应的衍射零级光电流. 得到的光电流随偏振角度变化在笛卡尔坐标系中如图3-a 所示(圆点表示实际测量值).

在所测数据中, 线偏振光的偏振方向与狭缝取向平行时对应的平均光电流强度 I M =22. 53L A, 线偏振光偏振方向与狭缝取向垂直时对应的平均光电流强度 I L =21. 12534L A, 整个旋转周期中所对应的平均光电流强度 I =22. 3271L A. 二者之间差值为:

$I = I M - I L =1. 40466L A,

拟合I -U 曲线为(如图3-a) :

I =(-1. 202cos 2U +22. 3271) L A.

可以看出衍射光强随偏振角度的变化趋势确实只和偏振方向与狭缝相对取向有光, 与狭缝的绝对取向无关.

2. 3 缝宽对线偏振光衍射的影响

在保持(2. 2) 中狭缝取向及其余条件不变的前提下改变缝宽使得d =3. 698@10-2mm, 得到的光电流随偏振角度变化在笛卡尔坐标系中如图3-b 所示(圆点表示实际测量值).

在所测数据中, 线偏振光的偏振方向与狭缝取向平行时对应的平均光电流强度 I M =14. 21L A, 线偏振光偏振方向与狭缝取向垂直时对应的平均电流强度 I L =12. 1597L A, 整个旋转周期中对应的平均光电流强度 I =-13. 18485L A. 二者之间差值为:

$I = I M - I L =2. 0503L A,

拟合I -U 曲线为(如图3-b) :I . s 2. ) A

66河南师范大学学报(自然科学版) 2010年可以定义一个物理量K =$I / I M 来描述衍射光强的偏振相关度, K 越大光振动相对狭缝取向对衍射光强的影响也越大. 从2. 2和2. 3实验数据可以看出:

d =3. 698@10mm 时, P=0. 144; d =3. 992@10mm 时, P =0. 062.

随着狭缝宽度的增加光电流整体变大, 但衍射光强对偏振方向的依赖程度降低, 即衍射光强的偏振相关度随狭缝宽度的增加而减小. 由此可以看出, 衍射光强随偏振方向的变化是由偏振光与狭缝相互作用引起, 并且狭缝对偏振方向垂直于狭缝的光有较大的阻碍作用, 而偏振方向平行于狭缝时光容易通过; 当狭缝宽度增加时, 受狭缝影响的偏振光线相对减少, 衍射光强的偏振效应变弱

. -2-2

3 结 论

从以上讨论中, 我们得出线偏振光的衍射与普通自然光不同, 衍射的光强分布与线偏振光电矢量相对于狭缝的取向有关; 当电矢量方向平行于狭缝时, 衍射光强最大; 当电矢量方向垂直于狭缝时, 衍射光强最小; 其他相对取向产生的光强居中, 随偏振方向变化整体光强分布呈类椭圆分布. 衍射光强随偏振方向的变化由偏振光与狭缝相互作用引起, 相应理论有待于进一步研究.

参 考 文 献

[1] E bbes en T W , Lezec H J , Ghaemi H F, et al. Extraordinary optical trans mission through sub -w avelength h ole arrays[J ]. Nature, 1998:

391(6669) :667-669.

[2] M atsui T , Agraw al A, Nahata A, et al. Transmission r esonances th rou gh aperiodic arrays of subw avelength apertur es[J ]. Nature, 2007:

447(7135) :517-521.

[3] N ovotny L, Poh l D W , Hecht B. /S cann ing n ear -field optical probe w ith ultrasmall spot size 0[J ], Opt Lett, 1995:20(9) :970-972.

[4] 谢建平, 陈风华, 任宝瑞, 等, 狭缝衍射中的偏振效应[J]. 物理学报, 1993, 42(12) :2019-2023.

S ingle Slit Diffraction of Polarized Light

DU L-i jun, WANG Xin, GONG Ti, CH ANG Fang -g ao

(College of Phys ics an d Information Engineering, H enan Normal U nivers ity, Xinxiang 453007, China)

Abstract:T his paper inv est igat es the pheno meno n of the sing le -slit F raunho fer diff raction of linearly po lar ized lig ht. I t has been found that the intensit y distr ibut ion o f the diffr action of linearly pola rized light depends on the angle U betw een the po -larization directio n o f lig ht and the directio n o f the slit. T he zer o -or der diffractio n lig ht intensit y reaches a max imum w hen the po lar ization dir ect ion is par allel to the slit dir ection and decr eases t o a minimum w hen the direction of polarizatio n is per pendicu -lar to the slit dir ect ion. Some facto rs which may affect the ex per iment al r esult s have been discussed. T he ex per iment pr ovides so me clues fo r the mechanism of t he inter act ion bet ween po lar ized light and matt er in g enera l.

Key words:linearly polarized light; diffr action; lig ht intensity distr ibution