實驗報告--偏振光學(xué)實驗

1、實 驗 報 告姓名： * 班級： * 學(xué)號： * 實驗成績：同組姓名：* 實驗日期：* 指導(dǎo)教師： 批閱日期：偏振光學(xué)實驗 【實驗?zāi)康摹?觀察光的偏振現(xiàn)象，驗證馬呂斯定律；2了解1 / 2 波片、1 / 4 波片的作用；3掌握橢圓偏振光、圓偏振光的產(chǎn)生與檢測?！緦嶒炘怼?1光的偏振性光是一種電磁波，由于電磁波對物質(zhì)的作用主要是電場，故在光學(xué)中把電場強(qiáng)度E 稱為光矢量。在垂直于光波傳播方向的平面內(nèi)，光矢量可能有不同的振動方向，通常把光矢量保持一定振動方向上的狀態(tài)稱為偏振態(tài)。如果光在傳播過程中，若光矢量保持在固定平面上振動，這種振動狀態(tài)稱為平面振動態(tài)，此平面就稱為振動面（見圖）。此時光矢量在垂直

2、與傳播方向平面上的投影為一條直線，故又稱為線偏振態(tài)。若光矢量繞著傳播方向旋轉(zhuǎn)，其端點描繪的軌道為一個圓，這種偏振態(tài)稱為圓偏振態(tài)。如光矢量端點旋轉(zhuǎn)的軌跡為一橢圓，就成為橢圓偏振態(tài)（見圖2）。2偏振片雖然普通光源發(fā)出自然光，但在自然界中存在著各種偏振光，目前廣泛使用的偏振光的器件是人造偏振片，它利用二向色性獲得偏振光（有些各向同性介質(zhì)，在某種作用下會呈現(xiàn)各向異性，能強(qiáng)烈吸收入射光矢量在某方向上的分量，而通過其垂直分量，從而使入射的自然光變?yōu)槠窆?，介質(zhì)的這種性質(zhì)稱為二向色性。）。偏振器件即可以用來使自然光變?yōu)槠矫嫫窆馄鹌?，也可以用來鑒別線偏振光、自然光和部分偏振光檢偏。用作起偏的偏振片叫做起偏器

3、，用作檢偏的偏振器件叫做檢偏器。實際上，起偏器和檢偏器是通用的。3馬呂斯定律設(shè)兩偏振片的透振方向之間的夾角為，透過起偏器的線偏振光振幅為A0，則透過檢偏器的線偏振光的強(qiáng)度為I式中I0 為進(jìn)入檢偏器前（偏振片無吸收時）線偏振光的強(qiáng)度。4橢圓偏振光、圓偏振光的產(chǎn)生；1/2 波片和1/4 波片的作用當(dāng)線偏振光垂直射入一塊表面平行于光軸的晶片時，若其振動面與晶片的光軸成角，該線偏振光將分為e 光、o 光兩部分，它們的傳播方向一致，但振動方向平行于光軸的e 光與振動方向垂直于光軸的o 光在晶體中傳播速度不同，因而產(chǎn)生的光程差為 位相差為 式中ne 為e 光的主折射率，no 為o 光的主折射率（正晶體中，

4、 0，在負(fù)晶體中 0）。d 為晶體的厚度，如圖4 所示。當(dāng)光剛剛穿過晶體時，此兩光的振動可分別表示如下：式中 軌跡方程原理圖全波片 1/2 波片 1/4 波片【實驗數(shù)據(jù)記錄、實驗結(jié)果計算】說明：以下的所有測量數(shù)據(jù)中，電流的單位為 ，角度的單位為角度。1 驗證馬呂斯定律角度0612182430364210.9890740.9567730.9045090.8345660.750.6545090.552265電流0.2090.2060.2010.1900.1750.1570.1370.115角度48546066727884900.4477360.3454920.2500010.1654350.095

5、4920.0432280.0109260電流0.0940.0710.0520.0340.0180.0070.0000.000角度961021081141201261321380.0109260.0432270.0954910.1654330.2499980.345490.4477340.552262電流0.0000.0070.0180.0330.0490.0690.0920.113角度1441501561621681741800.6545060.7499980.8345640.9045070.9567720.9890731電流0.1370.1560.1760.1910.2020.2090.20

6、9作的函數(shù)圖像：Origin的數(shù)據(jù)分析：Linear Regression through origin for DATA2_B:Y = B * XParameterValueError-A0-B0.209284.62343E-4-RSDNP-0.999910.0016231<0.0001-從以上的分析可知，電流大小I關(guān)于兩偏振片的夾角余弦的平方的數(shù)據(jù)點的直線擬合的相關(guān)系數(shù)r=0.99191 ，可知實際測得的數(shù)據(jù)點與理論值匹配。2 線偏振光通過1/2 波片時的現(xiàn)象和1/2 波片的作用1/2 波片轉(zhuǎn)過角度初始102030405060708090檢偏器A 轉(zhuǎn)過角度01838588010012

7、0140-檢偏器的角度差-18202022202020-說明：最后兩個數(shù)據(jù)沒測，是因為在做的時候一時疏忽了，最后想要補(bǔ)做時，時間已晚，老師建議我們不做了。檢偏器的平均角度差 度由上面的數(shù)據(jù)可以明顯地看出，1/2 波片每轉(zhuǎn)10度，檢偏器就需要轉(zhuǎn)20度，與理論值吻合。觀察：檢偏片固定，將1/2 波片轉(zhuǎn)過360°，能觀察到4次消光；1/2 波片固定，將檢偏片轉(zhuǎn)過360°，能觀察2次消光。由此分析線偏振光通過1/2 波片后，光的偏振狀態(tài)是：光的偏振面偏離原來的角度是波片光軸偏離角度的2倍。3 用1/4 波片產(chǎn)生圓偏振光和橢圓偏振光波片轉(zhuǎn)20度角度010203040506070電流0

8、.0320.0220.0160.0180.0270.0410.0590.078角度8090100110120130140150電流0.0970.1140.1260.1320.1300.1220.1080.090角度160170180190200210220230電流0.0700.0510.0340.0230.0170.0200.0290.044角度240250260270280290300310電流0.0650.0850.1050.1230.1340.1380.1360.125角度320330340350360電流0.1100.0900.0690.0500.032作角度與電流的極坐標(biāo)函數(shù)圖：I

9、在此基礎(chǔ)上作振幅與角度的函數(shù)圖：A分析：可以看出，該極坐標(biāo)函數(shù)圖象成“雙橢圓餅”形，在檢偏器所轉(zhuǎn)的0360度之間，共達(dá)到兩次消光，兩次最大值，這正是橢圓偏振光的長軸和短軸的位置。實驗數(shù)據(jù)圖中可以看出，圖像少有傾斜，在20度和200度左右達(dá)到真正消光，這是因為初始角度原因。波片轉(zhuǎn)45度角度010203040506070電流0.0810.0810.0800.0790.0780.0760.0740.071角度8090100110120130140150電流0.0700.0690.0700.0690.0700.0720.0730.075角度160170180190200210220230電流0.078

10、0.0800.0820.0840.0840.0830.0820.080角度240250260270280290300310電流0.0780.0760.0740.0730.0720.0720.0720.073角度320330340350360電流0.0740.0760.0770.0790.081作角度與電流的極坐標(biāo)函數(shù)圖：I在此基礎(chǔ)上作振幅與角度的函數(shù)圖：A分析：從圖像中可以看出，函數(shù)形狀成近乎圓的橢圓，理論上應(yīng)該是圓，還是非常接近理論值。數(shù)據(jù)在110度和290度左右但到最小值，在20度和200左右達(dá)到最大值，這正是橢圓偏振光的長軸和短軸的位置。誤差會在后面誤差分析部分討論。【對實驗結(jié)果中的現(xiàn)象

11、或問題進(jìn)行分析、討論】1. 在做驗證馬呂斯定律的實驗時，由于第一遍測量時出錯，導(dǎo)致實驗的重做，所以在預(yù)習(xí)報告上有大量修改的痕跡。但是，最后得到的結(jié)果非常準(zhǔn)確，擬合度極高，也使得多花去的時間很值得。2. 在這里我想重點討論以下這個實驗的一個誤差。上面的種種實驗皆反映了在消光點的角度誤差，而且這個誤差不小。誤差現(xiàn)象為：在消光點附近的10度左右的范圍內(nèi)，電流計的示數(shù)皆為0，所以無法準(zhǔn)確地找出消光點的角度。所以實驗作出的函數(shù)圖都有一定的傾斜。在這里提出自己認(rèn)為可以在一定程度上消除這個誤差的方法：緩緩旋轉(zhuǎn)檢偏器，記下電流值為0的區(qū)間，取這個區(qū)間的中點為消光點。3. 誤差來源還有旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向誤差，這是由于齒

12、輪之間的間隙引起的。誤差避免方法：只朝同一方向旋轉(zhuǎn)。4. 手電筒一類的誤差：用手電在照波片或檢偏器上的刻度時，會導(dǎo)致進(jìn)入檢測器的光強(qiáng)增大，導(dǎo)致電流值增大；手在旋轉(zhuǎn)波片或檢偏器時容易將入射光擋住，導(dǎo)致進(jìn)入檢測器的光強(qiáng)減小。誤差避免方法：每次測量電流時，使手和手電遠(yuǎn)離測量裝置。 5. 上面的A圖中的A不是實際的A值，而是A的一個固定的倍數(shù)，改圖的作用僅僅是反映偏振光的振幅隨著檢偏器的角度的相對變化?！靖巾摗克伎碱}1求下列情況下理想起偏器和理想檢偏器兩個光軸之間的夾角為多少？（1）透射光是入射自然光強(qiáng)的1/3。（2）透射光是最大透射光強(qiáng)度的1/3。答：（1）因為自然光通過偏振片后，光強(qiáng)減為原來的一半，所以得， 。（2）直接有馬呂斯定律：得 。2如果在互相正交的偏振片P1 和P2 中間插進(jìn)一塊1/4 波片，使其光軸跟起偏器P1 的光軸平行，那么透過檢偏器P2 的光斑是亮的？還是暗的？為什么？將P2 轉(zhuǎn)動90°后，光斑的亮暗是否變化？為什么？答：因為波片光軸和起偏器平行，檢偏器由與之正交，所以光斑是暗的。將其轉(zhuǎn)過90度后，兩者平行，所以光斑是明亮的。4 在第2 題中用1/2 波片代替1/4 波片，情況如何？答：情況與