偏振光實驗系統(tǒng)講義

1、偏振光實驗【實驗?zāi)康摹?1、通過產(chǎn)生和觀察光的偏振狀態(tài)，掌握產(chǎn)生與檢驗偏振光的原理和方法;2、驗證布儒斯特定律，了解產(chǎn)生與檢驗偏振光的元件及儀器。【實驗原理】.光的偏振線偏振光1.偏振:振動方向?qū)鞑シ较虻姆菍ΨQ性2.偏振光的種類:（1）自然光；（2）部分偏振光；（3）完全偏振光1|2自然光光強：L I圓偏振光橢圓偏振光.馬呂斯定律光強為I。的線偏振光通過與其偏振化方向夾角為e的偏振片后的透射光的光強為三.布儒斯特定律i0 i2 2 反射光為光矢量垂直于入射面的完全偏振光tgion2niio稱起偏振角一布儒斯特角折射光在下表面反射時也滿足布儒斯特定律一玻璃片堆可起偏也可檢偏.EoEZ Z /Z

2、4E 0 cos晶體的雙折射現(xiàn)象1.自然光進入各向異性晶體中，兩束折射光均是偏振光：服從折射定律尋常光線（0光），振動垂直0光的主截面;不服從折射定律異常光線（e光）,振動在e光的主截面內(nèi).2. 0光和e光的主折射率0光的主折射率：noVoVo : 0光在晶體中的傳播速度e光的主折射率：neVe： e光在晶體中垂直于光軸Ve方向的傳播速度五.波晶片四分之一波片(none)d(2k 1) (k 0,1,2 )4(2k 1)- (k0,1,2 )作用:可將入射的線偏振光轉(zhuǎn)變成橢圓（圓）偏振光.二分之一波片(no ne)d(2k 1)2(k(2k 1) (k0,1,2 )1,2 )作用:可將入射的線

3、偏振光的振動面與光軸間夾角旋轉(zhuǎn)2倍，也可使橢圓（圓）偏振光的旋轉(zhuǎn)方向改變.六.橢圓偏振光與圓偏振光兩線偏振光的波動方程為:r ExAx cos（ t kz） （1）1).2).Ey Ay cos(2k (k 0,1,2(2k 1) (k 0,1,2t kz )、三象限振動的線偏振光、四象限振動的線偏振光3）主軸與坐標軸重合的橢圓若Ax=Ay，則為圓偏振光4). 0斜橢圓七.獲得橢圓(圓)偏振光的方法：1) .自然光經(jīng)起偏后成線偏振光；2) .線偏振光垂直入射到波片(除全波片、半波片)上，且其振動方向與光軸有一夾角；3) .從波片射出時，0光與e光合成為橢圓偏振光，其類型決定于波片的厚度及入射線

4、偏振光振動方向與光軸的夾角、【/.4).若要獲得圓偏振光，則波片應(yīng)為1/4波片,且入射線偏振光 的振動方向與光軸成45。角.八偏振態(tài)的實驗檢驗【實驗步驟】2.1反射和折射起偏振布儒斯特角當自然光傾斜地投射到兩種介質(zhì)（例如空氣和玻璃）分界面時，反射光和透 射（折射）光一般都是部分偏振光。當光束的入射角等于布儒斯特角時，折射定律可簡化為n tg B這就是布儒斯特定律。此時的反射光只有垂直于入射面的偏振分量， 而平行于入射面的分量消失為零。2.1.1方法之一將高亮度小光源、狹縫板、凸透鏡（f / =150m）光學(xué)測角臺分別裝在機座導(dǎo)軌的滑動座上，調(diào)等高同軸，并使狹縫位于透鏡的焦平面上;黑玻璃鏡裝在光

5、學(xué)測角臺中央；對準偏振軸方向的偏振片架裝在轉(zhuǎn)動臂上。當B 56 36 時,轉(zhuǎn)動檢偏器就能觀察到垂直于入射面的光振動被消除的現(xiàn)象（如圖2-1）。光源狹縫透鏡1150mmn'0!-lA- ,j0:黑鏡'VoQb020 30405 匚檢偏器圖2-12.1.2方法之二在光具座上,上的黑玻璃鏡面,由氦氖激光器發(fā)出的光束擦盤直接入射到立在光學(xué)測角臺直徑 先轉(zhuǎn)動測角臺，使反射光束原路返回，由此定出入射光束的零 度方位，利用滑動座的升降微調(diào)裝置適當降低角度盤，然后再從入射角為15°75。范圍內(nèi)尋找反射光束通過檢偏器后，光強變到最?。ㄉ踔翞榱悖r的角度（器件布置示于圖2-2）。這里的檢

6、偏器是一個能在支架上轉(zhuǎn)動的偏振片，支架鎖緊在測 角臺的轉(zhuǎn)臂上。用檢偏器檢查任一反射光束，都是偏振光，在改變?nèi)肷浣堑倪^程 中，檢偏器透振軸指向水平方向（為什么？）。檢偏器后安裝光電探頭。實驗中 入射角在10°85°范圍內(nèi)，每增加5°相應(yīng)轉(zhuǎn)動接收臂記錄一次光電流讀數(shù)。用 所得數(shù)據(jù)，以反射偏振光相對光強（）為縱坐標，以角度為橫坐標作圖，即得一反射偏振光強度與入射角的關(guān)系曲線。為了更準確的測量，可以選取 48°64。 角的入射角，每2。（在低谷處甚至每1?；?.5°測一次光電流（代表相對光強）， 畫一幅更精確的曲線。根據(jù)該曲線定出布儒斯特角。圖2-22

7、.1.3方法之三按圖2-3所示在光具座上布置光路。使氦氖激光器發(fā)出的光束通過一個偏振 軸為水平方向的起偏器之后，照射立在光學(xué)測角臺上的黑玻璃鏡，轉(zhuǎn)動測角臺, 使反射光束原路返回，以此位置為零度，再轉(zhuǎn)動測角臺，使入射角約達 56°57。 時鎖緊度盤，利用滑動座升降微調(diào)裝置適當降低測角臺， 然后放松轉(zhuǎn)動臂，在光電探頭隨著轉(zhuǎn)臂緩慢轉(zhuǎn)動過程中測量反射光的相對光強。經(jīng)反復(fù)觀測，找到反射 光為最暗（甚至為零）的位置，此時的入射角 03就是布儒斯特角。圖2-32.2馬呂斯定律如果光源中的任一波列（用振動平面 E表示）投射在起偏器P上（圖2-4）， 只有相當于它的成分之一的Ey （平行于光軸方向的矢

8、量）能夠通過，另一成分Ex （Ecos ）則被吸收。若投射在檢偏器xA上的線偏振光的振幅為E0,則透過A的振幅為Eo cos （這里 是P與A偏振 方向之間的夾角）。由于光強與振幅的平方成正比，所以透射光強I隨 而變化的 關(guān)系為I 0 COS2這就是馬呂斯定律。實驗內(nèi)容：讓激光束垂直通過起偏器成為偏振光,用檢偏器檢查時，使兩個偏振器的透振方向的夾角 在從0°專動一周的過程中， 電探頭測量透射光強的相對值I，每10。讀取一次數(shù)據(jù)。用連接光電流放大器的光然后畫出I-關(guān)系曲線。圖2-5是將實驗數(shù)據(jù)輸入計算機、打印出的I關(guān)系曲線。強光對相光振偏. I!I.度他角圖2-52.3半波片的作用光束

9、進入雙折射晶體時被分成符合折射定律的尋常光（O光）和不符合折射定律的非常光（e光）。O光和e光都是偏振光，但在晶體內(nèi)有不同的波速，因此通過厚度一定的晶片時光程也不同。設(shè)晶片厚度為d,二光束通過晶片后就有相位差none d式中入表示光的波長，no和ne表示該晶片對o光e光的折射率。使2k 1 n（k=0，±，±2）的波片稱半波片，它能使 o光和e光發(fā)生相位差 n （符合n2k 1 （k = 0，±，± 2）條件的波片稱1/4波片）。波片的光軸平行于晶2片的表面，在圓框上用短線標出。實驗：激光束通過起偏器P變成線偏振光，再經(jīng)過擴束器B，旋轉(zhuǎn)檢偏器A， 使屏C

10、上光斑為最暗，然后在B和A之間加入半波片H （圖2-6）。使H繞水平軸轉(zhuǎn)動360°,同時觀察C上發(fā)生消光現(xiàn)象的次數(shù)并作解釋；再進一步，加入H 后，將其旋轉(zhuǎn)到C上消光位置，從該位置開始，將 H分別轉(zhuǎn)動15° 30° 45°度。60° 75°和90°相應(yīng)地將A逐次轉(zhuǎn)到消光位置，列表記錄每次 A需要轉(zhuǎn)動的角 從實驗結(jié)果總結(jié)出平面偏振光通過半波片后，振動面的變化規(guī)律，并予以解 釋。PBHAI »膽U圖 2-62.41/4波片與橢圓偏振光、圓偏振光當振幅為A的面偏振光入射到石英晶體做成的波片時,若振動方向與波片光軸夾0角，在

11、直角坐標系內(nèi)，0光和e光的振幅分別為AqAsin 和 A Acos 。從波片出射后的0光和e光的振動可以用兩個互相垂直、同頻率、有固定相位差的簡諧振動方程表示，二者的合振動方程為橢圓方程,合振動矢量的端點軌跡一般為橢圓（如圖2-7所示），所以稱作橢圓偏振光。' /I； -入偏振Z'光軸Zh入/4合成橢:偏1/4波片圖2-7其中有個特殊情況，即0= n /4 o光和e光振幅相等，合振動矢量的端點軌跡是圓，橢圓偏振光退化為圓偏振光，用檢偏器檢驗，波片的透射光強是不變的。實驗：光路與圖2-6類似，只是更換了波片。使通過 P和B的線偏振光與A 正交，C上光斑達到最暗，然后在 B和A之間

12、加入1/4波片Q,直到C上光斑 最暗，從這個消光位置開始，每當 Q轉(zhuǎn)動15° 30° 45° 60° 75°和90°時,都將A轉(zhuǎn)動360°。根據(jù)屏上或光電接收裝置顯示的光強變化記錄，可以判斷1/4波片透射光的偏振態(tài)（限于平面偏振光、橢圓偏振光和圓偏振光）。3.5二向色性起偏振有些晶體材料對自然光在其內(nèi)部產(chǎn)生的偏振分量具有選擇吸收作用，這種現(xiàn)象稱作二向色性。偏振片是人造的具有二向色性的常用偏振器件。 在長鏈聚合物 中摻入細微的針狀二向色晶體，受拉伸作用，并加以化學(xué)處理，使其分子固定排 列取向。因此能夠透過高度偏振化的光波。實驗：將發(fā)光二極管小光源L用干版架和滑動座支起來，連接發(fā)光管的整流變壓器插入220V插座。再使小光