(數(shù)字化綜合6)偏振光的研究

1、實驗六偏振光的研究:1、線偏振光的產(chǎn)生與鑒別：2、圓偏振光的產(chǎn)生與鑒別:光是橫波，它的振動方向和光的傳播方向垂直.自然光.即所謂的非偏振光，它的振動在垂直于光的傳 播方向的平面內(nèi)可取所有可能的方向.而沒有一個方向占優(yōu)勢。某一方向振動占優(yōu)勢的光叫部分偏振光， 只在某一個固定方向振動的光叫線偏振光或平面偏振光.實驗目的3、橢圓偏振光的產(chǎn)生與鑒別:*4、馬呂斯定律。實驗原理非金屬面的反射和折射光線斜射向非金屬的光滑平面上(例如水、木頭、玻璃等)時反射光和透射光都會產(chǎn)生偏振現(xiàn)象，其偏振的程度取決于光的入射角以及反射物的性質當入射角是某一數(shù)值時，反射光為線偏振光，這時的入射角叫起 偏角，起偏角的數(shù)值 a

2、和反射物質的折射率有如下關系：tga = n此關系稱為布儒斯特定律.從空氣入射到介質，一般起偏角在 53至58度之間，根據(jù)布儒斯特定律，可以簡單地利用玻璃片起偏。 此方法也可以用于測定物質的折射率n O非金屬表面反射的線偏振光的振動方向總是垂直于入射面的透射光是部分偏振光，使用多層玻璃組合成 的玻璃堆，可得到很好的透射線偏振光，其振動方向是平行行于入射面的。2、偏振片分子型的偏振片是利用聚乙烯醇塑膠膜。它具有梳狀長鏈形結構的分子，這些分子平行排列在同一方向上.此時膠膜只允許垂直于分子排列方向的光振動通過，因而產(chǎn)生線偏振光，分子型偏振片的有效起偏范圍幾乎可達到1800,用它可得到較寬的偏振光束，

3、是常用的起偏元件。鑒別光的偏振狀態(tài)叫檢偏，用作檢偏的儀器或元件叫檢偏器.偏振片也可作為監(jiān)偏器使用。自然光、部分 偏振光和線偏振光通過偏振片時，在垂直光線傳播方向的平面內(nèi)旋轉偏振片，可觀察到不同的現(xiàn)象。3、波片與圓偏振光、橢圓偏振光平面偏振光垂直入射晶片，如果光軸平行于晶片表面，會產(chǎn)生比較特殊的雙折射現(xiàn)象，這時非常光2兀/e和尋常光0的傳播方向是一致的，但速度不同，因而從晶片出射時會產(chǎn)生相位差ne )L式中由于0、e光的振動方向相互垂直，取e光軸為z方向，沿x軸、y軸的光矢量分別為 Ex和Ey，則有E2xEy 2ExEy. 2cos彷=sin 匕AeA0AeA0因此(1)$ =2k兀，為線偏振光

4、。6 =(2k +1)兀，為線偏振光;6= (k + )兀2，為正橢圓偏振光;(4 )5不等于以上各值時，為橢圓偏振光.(以上K=0 O 1,2，)A為單色光波長，n0和ne為0光和e光的折射率，L為晶片厚度.1/4波片。對某一波長的單色光產(chǎn)生右=(2k +1)兀相位差的叫作當線偏振光垂直入射到1/4波片時，且其振動方向與波片光軸成 日角，如圖1所示，由于0光和e光的振幅是日的函數(shù)，合成振幅 A因0角的不同而不同。日=刃4時，A。=Ae,為圓偏振光;日=o或沢/2時，A。=0或Ae=o， 為線偏振光;日為其他角度時為橢圓偏振光.對于任意的e角，相應的光強有:le = A2 COS2 02Io

5、= Asin 日 此即為馬呂斯公式，或馬呂斯定律。卜tg2日顯然0光和e光的光強之比為：le實驗裝置：1、組成；本實驗采用的是石英晶體材該偏振光實驗系統(tǒng)由光源、偏振器、信號接收器和控制器等組成，具體如圖所示，實驗中使用的是單 光束的光路，采用格蘭梭鏡做偏振器。A / D卡轉波片 波片是相位延遲器的一種，是由雙折射材料制成的一種光學元件， 料制作的偏振片。信號接收器是光電轉換器件，通常用硅光電池來實現(xiàn)，把接收到的光轉換成電信號然后由 換成數(shù)字信號，為計算機紀錄。在本實驗中，接收器位于檢偏器后，以記錄實驗結果。儀器中的挖制器可根據(jù)需要控制起偏器和檢偏器的電機轉動。2、測量該系統(tǒng)的是利用偏光器件對光

6、的偏振性質進行測量和鑒別。a偏振光實驗，將光電接收的電信號經(jīng)A/D變換進入計算機進行處理，實驗中通過測量光強分布來確定偏振光的偏振態(tài)。用光電器件探測偏振光時，應注意的一個問題是：幾乎所有的光電器件都具有偏振敏感性，所以 在探測偏振態(tài)不同的偏振光時，既使光功率相同，所輸出的電信號也隨著偏振態(tài)的不同而不同。為保證測 量精度，本實驗系統(tǒng)在光電器件的窗口處加一退偏器（透鏡或毛玻璃），將偏振光變?yōu)榉瞧窆狻偏振光的產(chǎn)生與鑒別線偏振光的產(chǎn)生與鑒別當自然光通過偏振器（通常稱之為起偏器）后，由于只有電矢量振動方向平行于透射軸的光可以通 過。所以，由偏振器出射的光為線偏振光。判斷偏振光是否是線偏振光， 只要讓

7、偏振光通過一個偏振器 （稱之為檢偏器），當轉動檢偏器，改變 檢偏器透射軸與線偏振光之間的夾角時，出射的光強隨之改變，根據(jù)偏振器的性質可以知道，當透射軸與 線偏振光的振動方向平行時，出射的光強最大。而垂直于線偏振光的振動方向時出現(xiàn)消光，即出射的光強 為零。如果檢偏器旋轉一周光強變化交替出現(xiàn)兩次最亮和兩次零光強，即兩明兩黑：且符合馬呂斯定律，1（日lloCOS日，（0為檢偏器透射軸與偏振光方向間的夾角），即最亮和最暗之間，檢偏器應轉過90。,則為線偏振光。圓偏振光產(chǎn)生及鑒別產(chǎn)生圓偏振光的前提條件是首先得到線偏振光，然后線偏振光垂直入射到 幾/4波片，如果線偏振光的振動方向與-/4波片的快軸和慢軸成

8、 450角，這時透過 幾/4片的光是圓偏振光。檢偏器旋轉時，光強沒 有變化。橢圓偏振光的產(chǎn)生及鑒別產(chǎn)生橢圓偏振光的方法是將一束線偏振光正入射到入4片上，線偏振光振動方向與 a/4波片慢軸的夾角不等于450,此時透過X/4波片的光就是橢圓偏振光，其長軸與波片快軸或慢軸平行。當橢圓偏振光通過旋轉的檢偏器，光強將出現(xiàn)兩明兩暗，光強出現(xiàn)最亮時，檢偏器的透射軸的方向就是橢圓的長軸方 向：光強出現(xiàn)最暗時，檢偏器的透射軸的方向就橢圓的短軸方向。圖形的繪制：實驗中要得到完整的橢圓曲線.需要作一些工作，現(xiàn)討論如下：當裝置如圖3放置，初始時起偏器 P1和檢偏器P2的偏振化方向正交.1 / 4波片的光軸與起偏器 P

9、1的偏振化方向夾角為 a ,三者之間的關系如圖 3右邊所示，其中日為實驗采Asm 肺加P1自黠*軸方向PlV光電二劇pj圖3P2的偏振化方向與其初始時方向之間的夾角.設自然光的振幅為Ao，則經(jīng)起偏器后的線偏振光的振幅為樣時樣時，檢偏器Ao / 2,繹1/4波片后得到尋常光和非常光,人=Asin a,代=cosG起振幅分別為©2V2其振動表達式分別為:AEo(t )=AoSin(wt )=gsin sin(wt )(5)AEe(t )= A0cos(wt )= -；=cosa cos(wt )J2(6)透過檢偏器的光振動為E(t )=Eo(t)COS180e-a -0 )+ Ee(t

10、丹羽。®a -6 )把式（5）、（6）代入上式得EQ） 一的A0cos(a +9 sin(wt ) + =C03sin(a +日)cos(wt )72其振幅為A = -7sin a cos(a + 9 j2 + Icosasin(ot +9 和2因此，透過檢偏器的光強為I =為n a cos(a +9 )2 + Fosa sin(a +9 J2 V2（8）在極坐標系中作出轉角 0與光強平方根I的關系曲線，其 理論曲線如圖 4所示（圓點線為a =兀/6時情況。星點線為 a =兀/3時情況，圖中進行了歸一化處理 ）我們可以看出它不 是橢圓曲線，因而也就不能直驗證橢圓偏振光的存在。問題出在

11、哪里 ？0圖4這在于橢圓曲線的極角P并不一定等于轉角0。對于橢圓曲線X = acos日，y = bsin日，矢徑r =x2 +y2 =(acoS 2 + (bsi n f，(9)極角為tg P = y =Xsin 叮=tg9 (10)cos廿由（10）可見，只有當a=b時（即為圓時），這就是JT 0曲線不是橢圓的原因.因此，作出橢圓曲線的關鍵是找出對應的極角P .通過比較式（8）和（9），我們得到極角的正切應為tan P =tan© +8 /tan(1 1)極角P = arctantan(a +£ ytanP = arctankan(a +0 ytan 】+兀 n /2-

12、a < 0 <3n /2- aJ*mK.r-二衣t ' 淪S'T OS 氓PK沖P = arctantan(a +£ ytan +2兀3n /2- a < 0 < 2 n其中反三角函數(shù)均取主值。圖 5給出了 JI P的理論曲線（圓4 -十-HE點線為a =兀/6時情況。星點線為 a =兀/3時情況，圖中進行了歸一化處理）可以看出它是橢圓曲線, 因此這樣處理實驗數(shù)據(jù)可以直接驗證橢圓偏振光的存在。實驗步驟：啟動微機上的偏振光實驗軟件時，一定要打開放置在實驗臺上的電控單元的電源開關, 這樣軟件才能實時顯示光電接收器的信號。在屏幕的最下方顯示有當前角度

13、和光強值。1、安裝與調試根據(jù)實驗步驟按圖2的次序依次放好各光學元件.同時檢查：圖2a.激光源發(fā)出的光束平行于光學平臺，保證其中心高度在220mm左右。b 光束是否通過放入光路中的部件（如：格蘭棱鏡、接收器等 ）的中心。應保證信號光垂直入射到接收器上。C.檢查完成后，用光屏觀察輸出，基本正常后，啟動軟件，記錄偏振片旋轉時接 收器所采集的信號。d.調整光束是否對準接收器的靶面，可將接收器前的毛玻璃蓋擰下，使光束對準 靶心。f.注意!電箱有很多聯(lián)線插頭必須先關掉電箱開關再接線或拔線。3、測量1.起偏在光路上安置透鏡、 起偏器和光電接收器， 打開激光器，使起偏器垂直于光束的平面 內(nèi)轉動（選擇1號電機，

14、按采集鍵），則可在屏幕上觀察到透過光強的變化。要求顯示的曲線為正弦形（偏振片轉360°）,光滑、等高，表明測定的激光為線偏振光。 應用角度檢索功使1號電機轉到光強值最大的位置。若曲線噪聲大.可檢查信號光束是否進入接收器靶面中心；當曲線的二極大值不相等時，微微轉動格蘭棱鏡的支架，改變?nèi)肷涔獾娜肷浣牵纯色@得滿意的效果。注意：如果光強最小值不為零，應該調整光學器件與光線的相對位置。2.消光，要求記錄該位置時的角度和光強值在光路上添加檢偏器，使起偏器固定（不再轉動1號電機），在垂直于光束的平面內(nèi)旋轉檢偏器（開啟2號電機），觀察圖象。是否能找到一個位置使光完全消失？（應用軟件提供的讀取數(shù)據(jù)鍵，得到消光時的角度值；再利用角度檢索功能使 2號電機轉到該角度值，此即 為消光位，。此時兩偏振器之間有什么關系 ?）3.圓偏振光和橢圓偏振光的產(chǎn)生（1）完成實驗2后，使起偏器和檢偏器處在消光位置，然后插入一片1/4波長片（注意使光線盡量穿過元件中心 ）.（2）以光線為軸先轉動1/4波片消光（以軟件顯示的光強值為依據(jù)，要求