偏振光實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1.驗(yàn)證馬呂斯定律試驗(yàn)原理：某些雙折射晶體對(duì)于光振動(dòng)垂直于光軸的線偏振oe做二向色性。具有二向色性的晶體叫做偏振片。偏振片可作為起偏器。自然光通過(guò)偏振片后，變?yōu)檎駝?dòng)面平行1 22P P1 2

A00θ Acosθ0單色自然光線偏光線偏光單色自然光線偏光線偏光11P1

P1

后線偏振光

〔2IPP夾角為P后0 0 2 1 2的線偏振光振幅為A A0

cosIA2cos2I0

cos2,此式為馬呂斯定律。1從圖形中可以看出符合余弦定理，數(shù)據(jù)正確。2.半波片，1/4試驗(yàn)原理：偏振光垂直通過(guò)波片以后，按其振動(dòng)方向〔或振動(dòng)面〕分解為尋常光〔o〕和格外光〔e。它們具有一樣的振動(dòng)頻率和固定的相位差〔同波晶片的厚度成正比影到同一方向，就能滿足相干條件，實(shí)現(xiàn)偏振光的干預(yù)。CCoeNM N單色自然光I0偏振片 波片偏振片圖3分振動(dòng)面干預(yù)裝置考慮特別狀況，當(dāng)M⊥N時(shí)，即兩個(gè)偏振片的透振方向垂直時(shí)，I出射光強(qiáng)為：I

0(sin22)(1cos；當(dāng)M∥N4片的透振方向平行時(shí)，出射光強(qiáng)為：20I I0

(12sin2cos22sin2cos2cosθ為波片光軸// 2M，δoe〔同波晶片的厚度成正比θδ中的任何一個(gè)都可以轉(zhuǎn)變屏幕上的光強(qiáng)。I當(dāng)波片時(shí)

0sin22，2出射光強(qiáng)最大，I//

I(1sin22) 2，出射光強(qiáng)最小；當(dāng)δ0=[〔2k+1〕π]/2〔1/4波片〕時(shí)，cosδ=0，0I I (sin I (2sin 2。02 0 2 4 // 41/4θ=45N幕上光強(qiáng)不變。一般狀況下，得到的是橢圓偏振光，讓偏振片N試驗(yàn)結(jié)果：半波片試驗(yàn)數(shù)據(jù)表：1/4波片試驗(yàn)數(shù)據(jù)：1/43也有可能仍是線偏振光。3.旋光效應(yīng)均固定時(shí)，旋光度與溶液濃度CC(5-1)比例常數(shù)與物質(zhì)旋光力量、溶劑性質(zhì)、樣品管長(zhǎng)度、溫度及光的波長(zhǎng)等有關(guān)，

lC(5-2)(5-2)t指旋光儀承受的單色光源的波長(zhǎng)(單位：nm)，θ為測(cè)得的旋光度(0)，ldm)，Cg/100mL)由(5-2)偏振光的振動(dòng)面是隨著光在旋光物質(zhì)中向前進(jìn)展而漸漸旋轉(zhuǎn)的，因而振動(dòng)面轉(zhuǎn)過(guò)角度透過(guò)的長(zhǎng)度l面轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ不僅與透過(guò)的長(zhǎng)度lC[14]。假設(shè)待測(cè)溶液濃度Cl，只要測(cè)出旋光度θ就可以計(jì)算出旋光率。假設(shè)液柱長(zhǎng)度為l依次轉(zhuǎn)變?nèi)芤旱臐舛菴，就可以測(cè)得相應(yīng)旋光度θ。并作旋光度與濃度的關(guān)系直線θ~C，從直線斜率、液樁長(zhǎng)度lC，可計(jì)算出該物質(zhì)的旋光率；同樣，也可以測(cè)量旋光性4溶液的旋光度θ，確定溶液的濃度C。旋光性物質(zhì)還有右旋和左旋之分。當(dāng)面對(duì)光射來(lái)方向觀看，假設(shè)振動(dòng)面按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，則稱右旋物質(zhì)；假設(shè)振動(dòng)面對(duì)逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，稱左旋物質(zhì)。測(cè)量葡萄糖水溶液的濃度g/100mL)的葡萄糖。水溶液的樣品管放到樣品架上，測(cè)出不同濃度C下旋光度值。并同時(shí)記錄測(cè)量環(huán)境溫度和記錄激光波長(zhǎng)葡萄糖水溶液的濃度配制成 C0

、C/2、C0

/4、C0

/8，0(純5C030%將不用濃度溶液注入一樣長(zhǎng)度的樣品試管中。測(cè)量不同濃度樣品的旋光度(屢次測(cè)量取平均)。用最小二乘法對(duì)旋光度、溶液C0

1糖的旋光率。也可以以溶液濃度為橫坐標(biāo)，旋光度為縱坐標(biāo)，繪出葡萄糖溶液的旋光直線，由此直線斜率代入公式 數(shù)據(jù)記錄及處理

[ ]t6500。圖 形 ：54.光彈效應(yīng)為適用。光彈性試驗(yàn)方法是一種光學(xué)的應(yīng)力測(cè)量方法，由于測(cè)量是全域性的，所以具有直觀性強(qiáng)，能有效而準(zhǔn)確地確定受力模型各點(diǎn)的主應(yīng)力差和主應(yīng)力方向，并能計(jì)算出各點(diǎn)的主應(yīng)力數(shù)值。尤其工程實(shí)際中有很多構(gòu)件，例如工業(yè)中的各種機(jī)器零件，它們的形狀很不規(guī)章，載荷狀況也很簡(jiǎn)單，對(duì)這些構(gòu)件的應(yīng)力進(jìn)展理論分析有時(shí)格外困難，往往需要試驗(yàn)的方法來(lái)解決，光彈性試驗(yàn)就是其中比較直觀有效的一種解決方法。試驗(yàn)原理6為適用。圖1光彈性試驗(yàn)的光學(xué)效應(yīng)示意圖如圖1所示，自然光通過(guò)偏振器成為平面偏振光〔在A1平面中〕，平面偏振光垂直地射在模型上某一O點(diǎn)，假設(shè)模型未受力，則光線O假設(shè)圖O點(diǎn)的二個(gè)主應(yīng)力1和2方向，則平面偏振光通過(guò)受力模型O點(diǎn)后，分解成二個(gè)與1及2方向全都的平面偏振光，二者之間產(chǎn)生一光程差δ，光程差與主應(yīng)力差〔1-2〕及模型厚度t成正比，即：kt(12)式中k為光學(xué)常數(shù)，與模型材料及光的性質(zhì)有關(guān)。分解了的二束光BB我們知道由分析器出來(lái)的光線強(qiáng)度 其中λ為光的波長(zhǎng)，I為偏振器與模型間偏振光的強(qiáng)度，α為偏振平面A1與主應(yīng)力1I為零時(shí)有以下四種狀況：7①I=0，這與實(shí)際狀況不符，由于只有在無(wú)光源時(shí)I才會(huì)是零。②δ=0，由公式kt(12)可知〔1-2〕=0，即12，符合這些條件的點(diǎn)稱為各向同性點(diǎn)。假設(shè)1=20則稱為零應(yīng)力點(diǎn)，這種點(diǎn)在模型上皆為黑點(diǎn)〔由于光強(qiáng)等于零純彎曲梁上中性軸上各點(diǎn)1=20，故模型中性層處為一條黑線。方向與偏振鏡光軸重合，模型上也呈黑點(diǎn)，這類黑點(diǎn)構(gòu)成的連續(xù)黑線稱為等傾線，等傾線上各點(diǎn)的主應(yīng)力方向都一樣，而且偏振鏡光軸的方向也就是主應(yīng)力的方向。④sin/0，以公式kt(12)代人，則sin(/)kt(12)0，于是可得12n/kt圖2圓偏振光場(chǎng)示意圖12nf/t (n=0,1,2,3……)f/tf/t連續(xù)的黑線稱為等差線〔在此線上各點(diǎn)的主應(yīng)力差均相等〕8于應(yīng)力分布的連續(xù)性，等差線不僅是連續(xù)的，而且它們之間還按肯定的次序排列，對(duì)應(yīng)于n=l的等差線稱為一級(jí)等差線或稱一級(jí)條紋，對(duì)應(yīng)于n=2的等差線稱為二級(jí)等差線或二級(jí)條紋，依次類推，其中n稱為條紋序數(shù)，以上是依據(jù)光源用單色光講的。假設(shè)光源用消滅的各向同性點(diǎn)、零應(yīng)力點(diǎn)、等傾線、等差線〔等色線〕，借助于一些分析計(jì)算，就能求出模型中各點(diǎn)應(yīng)力的大小和方向。1／4波長(zhǎng)片，形成圓偏振光場(chǎng)，可把等傾線消退，只剩下等差線，圓偏振光場(chǎng)如圖2所示。9圖3-1對(duì)徑受壓圓盤等差線圖 圖3-2對(duì)徑受壓圓盤等傾線圖觀看對(duì)徑受壓圓盤的等差線和等傾線，分別如圖3-1和3-2所示。預(yù)備試驗(yàn)：光路調(diào)整距離。觀看試驗(yàn)1：觀看光彈材料光彈特性留意等差線〔等色線〕和等傾線的消滅。象即可。5.電光調(diào)制試驗(yàn)【試驗(yàn)?zāi)康摹?、把握晶體電光調(diào)制的原理和試驗(yàn)方法；2、學(xué)會(huì)用試驗(yàn)裝置測(cè)量晶體的半波電壓，繪制晶體特性曲線，計(jì)算電光晶體的消光比和透射率?！緝x器和裝置】1所示：10圖1 電光調(diào)制試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)造【試驗(yàn)原理】發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)，利用這一效應(yīng)可以對(duì)透過(guò)介質(zhì)的光束進(jìn)展幅度，相位或頻率的調(diào)制，構(gòu)成電光調(diào)制器。電光效應(yīng)分為兩種類型：一級(jí)電光(泡克爾斯一—Pockels)效應(yīng)，介質(zhì)折射率變化正比于電場(chǎng)強(qiáng)度。(Kerr)效應(yīng)，介質(zhì)折射率變化與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比。本試驗(yàn)使用鈮酸理〔LiNbO3〕晶體作電光介質(zhì)，組成橫向調(diào)制(外加電場(chǎng)與光傳播方向垂直)的一級(jí)電光效應(yīng)。圖3 橫向電光效應(yīng)示意圖X軸的外加電場(chǎng)(E)XYZ軸旋1(Z軸不變)，它們的感生折nE：nn3rE0式中r為與晶體構(gòu)造及溫度有關(guān)的參量，稱為電光系數(shù)。n0為晶體對(duì)尋常光的折射率。d的晶體中出射時(shí)，由于晶體折射率的差異而使光波經(jīng)晶體后出射光的兩振動(dòng)重量會(huì)產(chǎn)生E的函數(shù)：2 2

2 l nl n3rE

n3r U (1)

0 d式中為入射光波的波長(zhǎng)；同時(shí)為測(cè)量便利起見(jiàn)，電場(chǎng)強(qiáng)度用U=Ed。＝時(shí)，所加電壓

d

〔2〕 2n3rl0U稱為半波電壓，它是一個(gè)用以表征電光調(diào)制電壓對(duì)相位差U打算于入射光的波長(zhǎng)、晶體材料和它的幾何尺寸。由(1)、(2)式可得：U

〔3〕關(guān)，對(duì)加工良好的純潔晶體而言0＝0。4為電光調(diào)制器的工作原理圖。由激光器發(fā)出的激光經(jīng)起偏器P后只透射光波中平行其透振12IP垂直于電光晶體的通光外表入射XY重量AIA的出射輸出光強(qiáng)為：I IA

圖4 電光調(diào)制器工作原理 2

(4)式中 ，為P與X兩光軸間的夾角。P xUIA的調(diào)制作用最大，并且(U)IAIPsin22 (5)IA〔3〕式可得

U I I sin2 A P

2U U〕的關(guān)系曲線，13圖5 光強(qiáng)與相位差〔或電壓〕間的關(guān)系由此可見(jiàn)：當(dāng)(U)＝2k (或U＝2kU) (k=0，1, 2，)時(shí)，IA=0當(dāng)(U)＝2k+1U＝(2k+1)U時(shí)，IA=IP為其它值時(shí)，出射光截面也就不能重疊起來(lái)。 45P x的條件下，0IA=Imin0，即ImaxIP由此需要引入另外兩個(gè)特征參量：I I消光比

M Imin

透射率T

maxI0式中，IoA得到的輸出光強(qiáng)最14大值。M愈大，T1，表示晶體的電光性能愈佳。半波電壓UM，T是表征電光介質(zhì)品質(zhì)的三個(gè)特征參量。＝/2或(U＝U/2)IA與相位差(或電壓U)6為外加偏置直流電壓與交變電信號(hào)時(shí)間強(qiáng)調(diào)制的輸出波形圖。/2)時(shí)，輸出波形最大且不失真。(U＝0)(U＝U)時(shí)，輸出波形小且嚴(yán)峻失真，同時(shí)輸出信號(hào)的頻率為調(diào)制頻率的兩倍。圖6 選擇不同工作點(diǎn)時(shí)的輸出波形工作點(diǎn)的偏置可通過(guò)在光路中插入一個(gè)／4波片其透光軸平軸)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論：15I =3.80V0正向偏壓：反相偏壓：Matlab仿真圖：消光比：M=1.83/0.09=20.3透射率：T=1.83/3.80=0.482半波電壓：U =528V。將無(wú)法完成。6.液晶的電光效應(yīng)試驗(yàn)原理16液晶態(tài)是一種介于液體和晶體之間的中間態(tài)，既有液體的流淌性、粘度、形變等機(jī)械性質(zhì)，又有晶體的熱、光、電、磁等物理性質(zhì)。液晶與液體、晶體之間的區(qū)分是：液體是各向同性的，分子取向無(wú)序；液晶分子有取向序，但無(wú)位置序；晶體則既有取向序又有位置序。 就形成液晶方式而言，液晶可分為熱致液晶和溶致液晶。熱致液晶又可分為近晶相、向列相和膽甾相。其中向列相液晶是液晶顯示器件的主要材料 [13]。接著液晶對(duì)于晶電的光效應(yīng)有如下生疏：液晶分子是在外形、介電常數(shù)、折射率及電導(dǎo)率上具有各向異性特性的物質(zhì)，假設(shè)對(duì)這樣的物質(zhì)施加電場(chǎng) (電流)，隨著液晶分子取向構(gòu)造發(fā)生變化，它的光學(xué)特性也隨之變化，這就是通常說(shuō)的液晶的電光效應(yīng)。液晶的電光效應(yīng)種類繁多，主要有動(dòng)態(tài)散射型(DS)、扭曲(TN)(STN)、有源矩陣液晶顯示(TFT)、電控雙折射(ECB)等。其中應(yīng)用較廣的有：TFT型───主要用于液晶電視、筆記本電腦等高檔產(chǎn)品；STN2───主要用于手機(jī)屏幕等中檔產(chǎn)品；TN型───主要用于電子表、計(jì)算器、儀器儀表、家用電器等中低檔產(chǎn)品，是目前應(yīng)用最普遍的液晶顯示器件。TN型液晶顯示器件顯示原理較簡(jiǎn)潔，是STN、TFT等顯示方式的根底。本儀器所使用的液晶樣品TN型。無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，由于可見(jiàn)光波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于向列相液晶的扭曲螺距，當(dāng)線偏振光垂直入射時(shí)，假設(shè)偏振方向與液晶旋轉(zhuǎn)90o，平行于液晶盒下外表分子軸方向射出；假設(shè)入射線偏振光偏振方向垂直于上外表分子軸方向，出射時(shí)，線偏振光方向亦垂直于下外表液晶分子軸；當(dāng)以其他線偏振光方向入射時(shí)，則依據(jù)平行重量和垂直重量的相位差，以橢圓、圓或直線等某種偏振光形式射出。沿電場(chǎng)方向傾斜，電壓連續(xù)增加到另一數(shù)值時(shí)，除附著在液17TN型液晶盒90o旋光性隨之消逝。6-1a.TN圖[13]6-1b.TN假設(shè)將液晶盒放在兩片平行偏振片之間，其偏振方向與上外表液晶分子取向一樣。不加電壓時(shí)，入射光通過(guò)起偏器形成的線偏振光，經(jīng)過(guò)液晶盒后偏振方向隨液晶分子軸旋轉(zhuǎn) 900，不能通過(guò)檢偏器；施加電壓后，透過(guò)檢偏器的光強(qiáng)與施加在液晶盒上電壓大小的關(guān)系見(jiàn)圖6-1；其中縱坐標(biāo)為透光強(qiáng)度，橫坐標(biāo)為外加電壓。最大透光強(qiáng)度的10%所對(duì)應(yīng)的外加電壓值稱為閾值電壓(Uth)，標(biāo)志了液晶電光效應(yīng)有可觀看反響的開(kāi)頭 (或稱起輝)，閾值電壓小，是電光效應(yīng)好的一個(gè)重要指標(biāo)。最大透光強(qiáng)度的90%對(duì)應(yīng)的外加電壓值稱為飽和電壓(Ur)，標(biāo)志了獲得最大比照度所需的外加電壓數(shù)值，Ur小則易獲得良好的顯示效果，且降低顯示功耗，對(duì)顯示壽命有利。比照度18Dr=Imax/Imin，其中Imax(接收)亮度(照度)，Imin為最小亮度。陡度β=Ur/Uth即飽和電壓與閾值電壓之比。6-2液晶電光效應(yīng)參考圖[13]型液晶顯示器件構(gòu)造參考圖6-2外側(cè)均貼有偏光片，其中上外表所附偏振片的偏振方向總是與上外表分子取向一樣。自然光入射后，經(jīng)過(guò)偏振片形成與上外表分子取向一樣的線偏振先，入射液晶盒后，偏振方向隨液晶分子長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)900，以平行于下外表分子取向的線偏振光射出液晶盒。假設(shè)下外表所附偏振片偏振方向與下外表分子取向垂直(即與上外表平行)，則為黑底白字的常黑型，不通電時(shí)，光不能透過(guò)顯示器(為黑態(tài))900旋光性消逝，光可通過(guò)顯示器(為白態(tài))；假設(shè)偏振片與下外表分子取向一樣，則為白底黑6-2所示構(gòu)造。TN-LCD可用于顯示數(shù)字、簡(jiǎn)潔字符及圖案等，有選擇的在各段電極上施加電壓，就可以顯示出不同的圖案。試驗(yàn)儀器液晶盒()(天津市港東科技進(jìn)展)、中心波長(zhǎng)為632.8nm的氦氖激光器(天津市港東科技進(jìn)展)以及配套的光電接收器(最小0.0