實(shí)驗(yàn)報告-偏振光學(xué)實(shí)驗(yàn)

./實(shí)驗(yàn)報告姓名：*****班級：*****學(xué)號：*****實(shí)驗(yàn)成績：同組姓名：****實(shí)驗(yàn)日期：*****指導(dǎo)教師：批閱日期：偏振光學(xué)實(shí)驗(yàn)[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯1．觀察光的偏振現(xiàn)象,驗(yàn)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。[實(shí)驗(yàn)原理]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１。此時光矢量在垂直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(diǎn)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(diǎn)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窆狻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,用作檢偏的偏振器件叫做檢偏器。實(shí)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α,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α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,δ＞0,在負(fù)晶體中δ＜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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、實(shí)驗(yàn)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。驗(yàn)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48546066727884900.4477360.3454920.2500010.1654350.0954920.0432280.0109260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0.1370.1560.1760.1910.2020.2090.209作的函數(shù)圖像：Origin的數(shù)據(jù)分析：LinearRegressionthroughoriginforDATA2_B:Y=B*XParameter Value ErrorA 0 --B 0.20928 4.62343E-4R SD N P0.99991 0.00162 31 <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(diǎn)的直線擬合的相關(guān)系數(shù)r=0.99191,可知實(shí)際測得的數(shù)據(jù)點(diǎn)與理論值匹配。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018385880100120140檢偏器的角度差18202022202020說明：最后兩個數(shù)據(jù)沒測,是因?yàn)樵谧龅臅r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。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0.0320.0220.0160.0180.0270.0410.0590.078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~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0~360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(shí)驗(yàn)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?yàn)槌跏冀嵌仍?。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0.0780.0800.0820.0840.0840.0830.0820.080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(shí)驗(yàn)結(jié)果中的現(xiàn)象或問題進(jìn)行分析、討論]在做驗(yàn)證馬呂斯定律的實(shí)驗(yàn)時,由于第一遍測量時出錯,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)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。在這里我想重點(diǎn)討論以下這個實(shí)驗(yàn)的一個誤差。上面的種種實(shí)驗(yàn)皆反映了在消光點(diǎn)的角度誤差,而且這個誤差不小。誤差現(xiàn)象為：在消光點(diǎn)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(diǎn)的角度。所以實(shí)驗(yàn)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(diǎn)為消光點(diǎn)。誤差來源還有旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向誤差,這是由于齒輪之間的間隙引起的。誤差避免方法：只朝同一方向旋轉(zhuǎn)。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。上面的A~圖中的A不是實(shí)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。[附頁]思考題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?！?透射光是最大透射光強(qiáng)度的1/3。答：〔1因?yàn)樽匀还馔ㄟ^偏振片后,光強(qiáng)減為原來的一半,所以得,?！?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?yàn)椴ㄆ廨S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。在第2題中用1/2波片代替1/4波片,情況如何