偏振測量實驗

1/7偏振測量實驗驗者：楊億斌(06325107)合作者：吳聰(06325096)（中山大學(xué)物理系，光信息科學(xué)與技術(shù)06級3班B19）2009年5月19日一、實驗?zāi)康?.了解和掌握光在各向異性介質(zhì)中的傳輸和偏振光的基本概念。2.驗證馬呂斯定律。3.掌握偏振片、半波片、1/4波片的特性和作用，并通過實驗驗證。二、實驗用具He-Ne激光器、偏振器（格蘭-泰勒棱鏡）2塊、半波片（632.8nm,石英晶體）1片、1/4波片（632.8nm,石英晶體）1片、光具座1套、電動旋轉(zhuǎn)架3套、光電探測器1套、計算機操作軟件等。三、實驗原理1.偏振光的產(chǎn)生光是電磁波，可用兩個相互垂直的振動矢量電矢量E和磁矢量H表征。習(xí)慣上稱E矢量為光矢量，代表光振動。若光振動局限在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，就形成平面偏振光，因其電矢量末端的軌跡成一直線，通稱線偏振光；若只是有較多的電矢量取向于某固定方向，稱作部分偏振光。如果一種偏振光的電矢量隨時間作有規(guī)律的變動，它的末端在垂直于傳播方向的平面內(nèi)的軌跡呈橢圓或圓形，這種偏振光就是橢圓偏振光或圓偏振光。2.布儒斯特角當(dāng)光從折射率為n1的介質(zhì)入射到折射率為n2的介質(zhì)分界面，例如由空氣入射到玻璃，且入射角滿足（1）時，反射光為完全偏振光，振動面垂直于入射面。這是由于根據(jù)反射定律和折射定律由（1）式可得此時反射角和入射角之和為90°，再由菲涅耳公式可知此時反射光的平行分量為0，只有垂直分量。稱為布儒斯特角，（1）式即為布儒斯特定律。圖13.馬呂斯定律如果光源中任一波列（用振動平面E表示）投射在起偏器P上，只有相當(dāng)于它的成分之一的(平行于光軸方向的矢量)能夠通過，另一成分則被吸收。與此類似，若投射在檢偏器A上的線偏振光的振幅為,則透過A的振幅為,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，透射光強I隨QUOTEθ而變化的關(guān)系為（2）這就是馬呂斯定律。4.格蘭--泰特棱鏡格蘭—泰勒棱鏡是一種用冰洲石做成的偏振棱鏡，是將一塊棱鏡切割成兩塊，形成空氣隙再組合起來（如圖2）。它能使非常光通過，尋常光在切割面發(fā)生全內(nèi)反射，偏向一旁。常規(guī)的偏振棱鏡分成格蘭型和尼科耳型，格蘭—泰勒棱鏡的光軸在入射端面（圖2用雙箭頭表示），且主截面垂直于切割面。在棱鏡保護套的側(cè)面開一個小孔，以便o光旁路出去。圖25.波片若使線偏振光垂直入射一透射面平行于光軸，厚度為d的晶片，如圖2，入射光將因晶片的各向異性而分裂成遵從折射定律的尋常光（o光）和不遵守折射定律的非常光（e光）。圖3因o光和e光在晶體中這兩個相互垂直的振動方向有不同的光速，分別稱作快軸和慢軸。設(shè)入射光振幅為A，振動方向與光軸夾角為QUOTEθ，入射晶面后o光和e光振幅分別為QUOTEAsinθ和Acosθ，出射后相位差（3）式中是光在真空中的速度，分別是o光和e光的折射率。這種能使振動方向相互垂直的平面偏振光產(chǎn)生一定相位差的晶片就稱為波片。6.橢圓偏振光和圓偏振光以平行于波片光軸方向為x軸，垂直于光軸方向為y軸，圖2所示出射的o光和e光用簡諧振動方程式表示為（4）上兩式的合振動方程式為（5）（5）式一般情況下是橢圓方程，代表橢圓偏振光。當(dāng)（k=1、2、3……）或（k=0、1、2……）時，合振動變成振動方向不同的線偏振光。對于后一種情況，晶片厚度可表示為可使o光和e光產(chǎn)生的光程差，這樣的晶片稱為半波片。當(dāng)（k=0、1、2……）時，合振動方程化為正橢圓方程：（6）這時晶片厚度稱為1/4波片。它能使線偏振光變成橢圓偏振光。但是當(dāng)入射光振動方向與光軸夾角為45°時，，得到圓偏振光，合振動方程為：（7）四、實驗裝置實驗系統(tǒng)示意圖如圖3所示He-Ne激光器He-Ne激光器起偏器波片檢偏器光電探測器偏振光實驗系統(tǒng)電源（電控箱）測量信號輸入計算機圖4實驗系統(tǒng)方框示意圖個別元件增減隨實驗內(nèi)容而定。五、實驗內(nèi)容、過程及數(shù)據(jù)處理分析

1、調(diào)整光路及驗證布儒斯特角（1）調(diào)節(jié)激光光束平行于光具座導(dǎo)軌，將光電檢測器放上導(dǎo)軌，調(diào)節(jié)使光束通過光電檢測器的中心。（2）接好線路后，接通電源，啟動電腦。打開測量軟件，看顯示曲線，觀察得曲線適中，沒有出現(xiàn)飽和失真。（3）放上起偏器，調(diào)整棱鏡光軸位置，使o光透射。（4）一開始選一號電機采集數(shù)據(jù)，得到正弦曲線不理想，改用三號電機采集，即換用檢偏器采集，得到較理想的正弦曲線。如圖1：圖1激光輸出線偏振的驗證由圖可知，對于線偏振光，在旋轉(zhuǎn)一周的過程中將出現(xiàn)兩次透射光為零的角度，這兩個角度正好對應(yīng)于入射光偏振方向與偏振片方向相垂直的情況。2、驗證馬呂斯定律（1）在起偏器和光電檢測器之間放上檢偏器，適當(dāng)調(diào)節(jié)，使線偏振光入射檢偏器中心。利用“角度檢索”工具使起偏器轉(zhuǎn)動到該角度，則此時起偏器的透光方向與激光偏振方向相同。選擇三號電機，開始采集數(shù)據(jù)。（2）采集一個周期（即電機轉(zhuǎn)360°）后，得到的曲線如圖2。選擇“數(shù)據(jù)處理”菜單中的“馬呂斯定律”選項，將得到驗證馬呂斯定律的曲線，如圖3。圖2馬呂斯定律曲線圖3馬呂斯定律驗證由圖2可知，起點光強為零，即檢偏器和起偏器的初始夾角為90°，故檢偏器轉(zhuǎn)過的角度不等于馬呂斯定律中（公式（2）中）的。用表示檢偏器轉(zhuǎn)過的角度，則。圖3左邊方框中的曲線是以為橫坐標(biāo)，相對光強為縱坐標(biāo)的。由圖上可知，相對光強與呈線性關(guān)系。右圖中右邊部分列出了曲線上的十個紅色圓點對應(yīng)的轉(zhuǎn)角和相對光強值。3、驗證半波片的作用（1）在起偏器D和檢偏器A之間加入半波片H，并使其繞水平軸轉(zhuǎn)動3600，觀察發(fā)現(xiàn)共出現(xiàn)四次消光現(xiàn)象。（2）然后使起偏器的偏振面與檢偏器的光軸正交，加入半波片后，將它轉(zhuǎn)到消光位置，再分別轉(zhuǎn)動150，300，450，600，750和900，相應(yīng)記錄每次將A逐次轉(zhuǎn)到消光位置所需轉(zhuǎn)動的角度，填入表1。表1半波片轉(zhuǎn)角/度153045607590檢偏器轉(zhuǎn)角/度29.6859.2490.02119.94150.16179.96擬合得圖4：圖4半波片轉(zhuǎn)角與檢偏器轉(zhuǎn)角的關(guān)系由圖可知，線偏振光通過半波片后，會使o光和e光產(chǎn)生的相位差，出射光仍為線偏振光。在半波片旋轉(zhuǎn)一周的過程中，當(dāng)半波片的光軸方向與起偏器透光方向垂直時，會發(fā)生消光現(xiàn)象，這種情況會出現(xiàn)兩次；當(dāng)由半波片出來的光的偏振方向與檢偏器的透光方向垂直時，也會發(fā)生消光現(xiàn)象，這種情況也會出現(xiàn)兩次。兩種情況綜合起來一共會出現(xiàn)四次消光現(xiàn)象。由表1可知，當(dāng)半波片旋轉(zhuǎn)角時，檢偏器要旋轉(zhuǎn)才能重新消光，這是由于當(dāng)入射半波片的光的偏振面轉(zhuǎn)動角度時，出射光的振動面會轉(zhuǎn)動，這也是由于線偏振光通過半波片后，會使o光和e光產(chǎn)生的相位差引起的。4、驗證1/4波片的作用先使線偏振光的偏振面P與檢偏器A的光軸正交（這時通過A的光強最?。?，然后在兩個偏振棱鏡之間加入1/4波片Q，并轉(zhuǎn)動Q,直到通過A的光強恢復(fù)到最小。從此位置每當(dāng)Q轉(zhuǎn)動150，300，450，600，750和900時，都使A轉(zhuǎn)動3600，從顯示情況分析光波通過1/4波片后的偏振態(tài)。]（1）1/4波片轉(zhuǎn)15°根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，在極坐標(biāo)下畫出光強的平方根與檢偏器的轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，即曲線，如圖5：圖51/4波片轉(zhuǎn)15°后的極坐標(biāo)圖同理，采用同樣的方法，每次將1/4波片增加15度，得出對應(yīng)的極坐標(biāo)圖：圖61/4波片轉(zhuǎn)30°后的極坐標(biāo)圖圖71/4波片轉(zhuǎn)45°后的極坐標(biāo)圖圖81/4波片轉(zhuǎn)60°后的極坐標(biāo)圖圖91/4波片轉(zhuǎn)75°后的極坐標(biāo)圖圖101/4波片轉(zhuǎn)90°后的極坐標(biāo)圖通過上述實驗，我們驗證了1/4波片可以使通過它的線偏光變成橢偏光、圓偏光，或者仍然是線偏光，可以通過控制波片光軸與起偏器的夾角來實現(xiàn)這幾種情況。偏振光經(jīng)1/4波片，o光與e光有固定相位延遲之差，其相遇點的合成光矢量的末端的軌跡呈橢圓形,稱為橢圓偏振光。波片光