偏振光學(xué)實(shí)驗(yàn)

偏振光學(xué)實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．理解偏振光的基本概念，偏振光的起偏與檢偏方法；2．學(xué)習(xí)偏振片與波片的工作原理與使用方法【實(shí)驗(yàn)原理】1．光波偏振態(tài)的描述一個(gè)單色偏振光可以分解為兩個(gè)偏振方向互相垂直的線偏振光的疊加，即fE=acos①t<x1①I(mǎi)E=acos（①t+8）2式中8為x方向偏振分量相對(duì)于y方向偏振分量的位相延遲量，aa分別是兩偏振分量的1、2振幅，3為光波的圓頻率。對(duì)于單色光，參數(shù)aa、3就完全確定了光波的偏振狀態(tài)。以下討論中取1、2aaA0， 0<8y2兀。1、2當(dāng)8=0,冗時(shí)，式（1）描述的是一個(gè)線偏振光，偏振方向與x軸的夾角a=arctan（—rcos8）稱(chēng)為線偏振光的方位角（如圖1所示）。a2當(dāng)8=冗/2,-冗/2且a=a時(shí)，式（1）描述的是一個(gè)圓偏振光，其特點(diǎn)是電矢量以12角速度3旋轉(zhuǎn)，電矢量的端點(diǎn)的軌跡為一圓。8的正負(fù)決定了電矢量的旋向，8=兀/2時(shí)為右旋偏振光，8=-兀/2時(shí)為左旋偏振光（迎著光的方向觀察，如圖2所示）。除了上述特殊情況，式（1）表示的是橢圓偏振光。（如圖3）圖1:線偏振光圖2：圓偏振光圖3：橢圓偏振光偏振的一個(gè)重要應(yīng)用是研究光波通過(guò)某個(gè)光學(xué)系統(tǒng)后偏振狀態(tài)的變化來(lái)了解此系統(tǒng)的一些性質(zhì)。2．偏振片偏振片主要有主透射率和消光比兩個(gè)主要性能指標(biāo)。記沿透射軸方向振動(dòng)的光波的光強(qiáng)透射率和沿消光軸方向振動(dòng)的光波的光強(qiáng)透射率分別為T(mén)T，二者之比為消光比e。1,2

e=T/T ②21振動(dòng)方向和透射軸方向成0角的線偏振光經(jīng)過(guò)偏振片后透射率為T(mén)=（T-T）cos20+T ③（即馬呂斯定律）0122實(shí)驗(yàn)中利用兩個(gè)主透射率相同的偏振片來(lái)測(cè)量消光比e。IT TT 2e-min=~= 1~2 = Q2eIT（T2+T2）/2 1+e2max □ 1 2實(shí)驗(yàn)中所用偏振片的消光比e在10-4□10-5量級(jí)。因此光波通過(guò)偏振片后仍可近似看成是偏振光。通常把產(chǎn)生線偏振光的偏振片叫起偏器，用以分析光的偏振器叫檢偏器。當(dāng)檢偏器和起偏器透射軸平行時(shí)，透射光強(qiáng)最大。二者垂直時(shí)，會(huì)產(chǎn)生消光現(xiàn)象。用這種方法就可以進(jìn)行線偏振光的檢測(cè)。在本實(shí)驗(yàn)中用檢偏器和光強(qiáng)探測(cè)器來(lái)分析。用光強(qiáng)探測(cè)器示值可確定出橢圓長(zhǎng)軸方位角屮和光強(qiáng)的極值比b2/a2=I/I。minmax3.延遲器和波片常用的延遲器是由雙折射材料制成的光學(xué)元件。他有兩個(gè)互相垂直的特定方向，快軸和慢軸。光線傳播時(shí)，沿兩個(gè)軸的偏振分量有不同的傳播速度，既有不同的折射率。這樣，慢軸分量相對(duì)于快軸分量將會(huì)產(chǎn)生位相延遲5。設(shè)位相延遲器厚度為d,快，慢軸方向振動(dòng)的r線偏振光折射率分別為n,n，則fs=2兀（n一n）d/九（n一n）d/csf0sf0式中九和c分別為真空中的光速和波長(zhǎng)，W為光波源頻率。00線偏振光經(jīng)過(guò)相延后偏振態(tài)發(fā)生變化。E=aE=acos①tS1 nE=acos①t1f2E'SE'1f=acos①t1=acos（①t'+5）2r波片是一種特殊的位相延遲器。實(shí)驗(yàn)中需要注意的是，沿快軸或慢軸入射的線偏振光通過(guò)波片后其偏振狀態(tài)不變。橢圓偏振光經(jīng)過(guò)延遲器后的偏振狀態(tài)分析可分如下步驟：①先將入射光表示成分沿快滿(mǎn)軸方向振動(dòng)的兩分量，其相差為5，振幅為a和a;②投射光的位i21相差為5=5+5③由5，a，a就可以定出投射光的偏振狀態(tài)。t i r t 2 1如果5為兀的整數(shù)倍，入射的橢圓偏振光就變成了線偏振光。圓偏振光經(jīng)過(guò)1/4波片，t或入射橢圓偏振光的長(zhǎng)（短）軸平行于1/4波片的快（慢）軸，透射光線都是偏振光，這兩種現(xiàn)象在偏振光學(xué)實(shí)驗(yàn)中很有用。波片在使用時(shí)首先要定出波片快慢軸方向，將待測(cè)波片C放在已正交消光的偏振器P和A之間，旋轉(zhuǎn)波片C使三者仍保持消光狀態(tài)，這時(shí)波片的一個(gè)軸就平行于P的透射軸的方向。將待測(cè)1/4波片的軸和另一個(gè)1/4波片的已知快軸方向平行，這兩個(gè)波片合成了一個(gè)半波片或全波片，判斷出波片類(lèi)型后，就可以判斷出待測(cè)波片的快軸方向。波片軸的確定波片的相延很難做到準(zhǔn)確等于兀/2或兀，通常把波片的實(shí)際相延和理想值之差叫波片相延誤差。因此測(cè)量時(shí)一般讓入射光的偏振方向與波片的軸成一稍小于兀/4的角度。4.反射和折射時(shí)的起偏現(xiàn)象平面電磁波以入射角0由空氣中投射到折射率為n的無(wú)吸收介質(zhì)表面，將發(fā)生反射和i折射。若將入射分解為電矢量分別平行或垂直于入射面的兩個(gè)分量P和S。把P,S分量的振幅反射率r,r平方就可以得到相應(yīng)的光反射率R,R，根據(jù)不同入射角0時(shí)R,R曲線可PSPSiPS以看到兩分量反射率僅在0=0及趨近于90°時(shí)相等，所以光束斜入射是反射光，透射光i的偏振態(tài)不同于入射光的偏振狀態(tài)。入射偏振光方向與入射面呈45°角時(shí)，反射光的線偏振方向?qū)㈦S入射角0不同而改變，實(shí)驗(yàn)中能觀察到這一現(xiàn)象。i當(dāng)0+0=冗/2即0=arctann=0時(shí)，R=0，反射光中電矢量沒(méi)有和入射面平行的itiBP分量，這一特征角0叫布儒斯特角。光束以0入射時(shí)反射光是電矢量垂直于入射面的完全BB線偏振光，即只有S分量，該分量的反射率為R=sin2(0-0)=sin2[0—(兀/2-0)]=(n2—1)2/(n2+1)2SBitii實(shí)驗(yàn)中可根據(jù)布儒斯特角的上述性質(zhì)判斷偏振器的透射軸方向。實(shí)驗(yàn)中由于表面散射等原因，的測(cè)定準(zhǔn)確度較低。有些實(shí)驗(yàn)中使光束以射入多塊平行玻璃板已獲得只有P分量的線偏振透射光。經(jīng)過(guò)N塊玻璃的2N個(gè)表面后，S分量的總透射率為(1-R)2N=「1+(n-1)2/2nI-4NN值較大時(shí)其值幾乎為0，這種起偏裝置叫波片堆?！緦?shí)驗(yàn)裝置】光源用波長(zhǎng)為633nm的氦氖激光器，為減小輸出光強(qiáng)的波動(dòng)影響，實(shí)驗(yàn)前激光器要預(yù)先點(diǎn)燃，經(jīng)過(guò)20min左右光強(qiáng)才較穩(wěn)定；實(shí)驗(yàn)中不要關(guān)激光電源。暫不考慮激光束偏振特性對(duì)測(cè)量的影響。注意：不準(zhǔn)用眼睛迎面直視激光束以免損傷眼底。起偏器P和檢偏器A被分別固定在分光計(jì)的平行光管和望遠(yuǎn)鏡上。P和A的方位角分別由游標(biāo)盤(pán)讀出，游標(biāo)分度為0.1。（3） 兩個(gè)1/4波片中，一個(gè)波片C得快軸大致方向已用紅點(diǎn)標(biāo)出。另一個(gè)波片的快軸方向0未知，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)步驟（12）（13）定出。（4） 分光計(jì)的小平臺(tái)用以放置待測(cè)光學(xué)元件。（5） 用硅光電池、數(shù)字表和電阻箱組成光強(qiáng)探測(cè)器，三者成并列關(guān)系?！緦?shí)驗(yàn)步驟】準(zhǔn)備工作（I） 提前開(kāi)啟激光源，使激光器的電流為4mA或略大。（2）調(diào)整起偏管（平行光管）和檢偏管（望遠(yuǎn)鏡筒），使其軸線基本在同一水平面內(nèi)，且和分光計(jì)主軸垂直。調(diào)小平臺(tái)與主軸基本垂直，起偏管和檢偏管的方位角調(diào)節(jié)方法，與分光計(jì)望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)方法相同。（3）調(diào)激光管的位置，使光束通過(guò)起偏管中心附近，由檢偏管中心射出。觀察布儒斯特角和偏振器的特性（4）觀察布儒斯特角。（5）定偏振器透射軸方向。（6）測(cè)消光比e。（7）測(cè)量透射光強(qiáng)I和兩偏振器夾角9間的關(guān)系。m（8）選作。1/4波片的特性研究（9） 定波片C的快軸方向。0（10） 線偏振光經(jīng)過(guò)1/4波片。（II） 定待測(cè)波片C的快軸方向。x（12） 觀測(cè)偏光器通過(guò)1/2波片或全波片的現(xiàn)象（令C的快軸和C的某一個(gè)軸平行）。0x（13） 觀測(cè)偏光器通過(guò)1/2波片或全波片的現(xiàn)象（令C的慢軸和C的某一個(gè)軸平行）。0x觀測(cè)反射光的偏振面旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象（14） 觀測(cè)反射光的偏振態(tài)改變的現(xiàn)象?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理分析】觀測(cè)布儒斯特角光束正入射棱鏡表面時(shí)平臺(tái)方位角a=0°0';入射角為布儒斯特角時(shí)平臺(tái)方位角i二0a=58°15'；布氏角的測(cè)量值為9=a-a=58°15'；B B B i二0折射率n=tan9=1.6160B相對(duì)偏差（n-1.668）/1.668=—3.12%定偏振器透射軸方向布氏角時(shí)起偏器P的透射軸在水平方向，方位角為P;檢偏器A和P正交時(shí)A的方0位角記作a，即p=p且A和P消光時(shí)的a

次序123456P/度o91.9°91.7°90.1°89.7°89.9°91.6°p=—arctan(tan(91.9°+91.7°+90.1°+89.7°+89.9°+91.6°)分—arctan(tan=90.8°S= Y(p —p)2=6—1 o° oa=179.4°J3測(cè)消光比e。R=1000I/mVI=6.583I=6.549I=6.555I=6.5682max1357R=2000I/mVI=0.007I=0.005I=0.006I=—0.0071min2460R(I+I—21) 200(0.005+0.006+2x0.007)e=匸□4 6 0 = □ =4.8x10—4R 4HI 100 4x6.555154按表測(cè)透射光強(qiáng)I與兩偏振器夾角0間的關(guān)系。m電阻箱示值R=1000,P=P=90.8°;a=179.4oJImaxImaxImaxImax夾角(度)0.015.030.045.00.060.075.080.00.084.087.090.00.0A盤(pán)27028530031590330345350270354357360270a=a+90°+0J.1°.2°.1°.0°.2°.3°.0°.0°.2°.1°.0°.0°.1°Im(mV)測(cè)量值6.2775.8434.7163.1826.2641.6340.4400.2106.3380.0820.0230.0056.296I (cos6)c max2+1.min5.8614.7073.1371.5710.4270.1960.0740.0220.005II-Il/I(%)0.310.191.413.862.956.679.764.350■c—m—m-T—系列1T-系列2兩偏振器夾角9為0。時(shí)，Im最大，兩偏振器夾角為90。及相互垂直時(shí)Im最小，發(fā)生消光。5定波片C的快軸方向0p=90.8。；a=179.4。；波片C快軸在垂直方向時(shí)度盤(pán)示值C=90.8。O I 0 06線偏振光經(jīng)過(guò)1/4波片C=90.。80B=p-p(度)0.022.545.067.543.0P盤(pán)方位角p=B+p90.8。113.3。135.8。158.3。133.8。A透射軸在長(zhǎng)軸方向時(shí)的ai270.1。93.5。133.7。179.6。289.3。長(zhǎng)軸方位角9=a+90一a: i-0.7175.9135.789.8-19.9I4.9033.7672.2233.5342.212I.0.0040.6651.8730.5331.772a1+b2~I/Imin max8.158E-040.1770.8430.1510.801Sr/85.11。/85.07。9/45。/25.43。Sr計(jì)算公式IsinS心小加/Imax*計(jì)算公式9=2卩xcosS*計(jì)算公式9=2卩xcosS)7定待測(cè)波片C的軸方向。xp=90.8。;a=179.4。；波片C快軸在垂直方向時(shí)度盤(pán)示值C=275.9。O C x X8線偏振光通過(guò)全波片。（A與P的旋向相同，故為全波片，此時(shí)Cx快軸與Co快軸互相垂直，故可得到Cx快軸方向）C某軸在垂直方向，度盤(pán)示值：275.9°；C快軸在垂直方向，度盤(pán)示值x0P-p0.015.030.045.0P90.8°105.8°120.8°135.8°消光時(shí)A盤(pán)讀數(shù)ai179.4°164.5°149.5°134.2°a-a: i0°14.9°29.9°45.2°9線偏振光通過(guò)1/2波片（A與P旋向相反，所以為1/2波片。此時(shí)Cx快軸與Co快軸平行）。C某軸在垂直方向，度盤(pán)示值：191.8°；C快軸在水平方向，度盤(pán)示值x0P-P0.015.030.045.0P90.8°105.8°120.8°135.8°消光時(shí)A盤(pán)讀數(shù)ai17