偏振光實驗系統(tǒng)講義

1、偏振光實驗【實驗?zāi)康摹?、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?！緦嶒炘怼恳?光的偏振1.偏振:振動方向?qū)鞑シ较虻姆菍ΨQ性.(1)自然光；(3)完全偏振光(2)部分偏振光;2.偏振光的種類:線偏振光圓偏振光橢圓偏振光自然光光強:二. 馬呂斯定律 光強為Io的線偏振光通過與其偏振化方向夾角為 的偏振片后的透射光的光強為三.布儒斯特定律 反射光為光矢量垂直于入射面的完全偏振光 io 稱起偏振角布儒斯特角 折射光在下表面反射時也滿足布儒斯特定律玻璃片堆可起偏也可檢偏. n1n2.i2/2i0 四. 晶體的雙折射現(xiàn)象1

2、.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(o光),振動垂直 o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. o光和e光的主折射率o光的主折射率:vo：o光在晶體中的傳播速度e光的主折射率:ve：e光在晶體中垂直于光軸方向的傳播速度五. 波晶片 四分之一波片作用:可將入射的線偏振光轉(zhuǎn)變成橢圓(圓)偏振光. 二分之一波片作用:可將入射的線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:1). 一、三象限振動的線偏振光2). 二、四象限振動的線偏振光3)主軸與坐標

3、軸重合的橢圓,若Ax=Ay，則為圓偏振光4). 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,o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45o角.八.偏振態(tài)的實驗檢驗偏振片前放1個1/4波片，光軸沿光強極大或極小方向.轉(zhuǎn)動偏振片偏振片前放1個1/4波片轉(zhuǎn)動偏振片待測光波垂直入射光強無變化光強有變化光強有為零的極小值(消光)有消光現(xiàn)象光強不變自然光圓偏

4、振光線偏振光有消光現(xiàn)象橢圓偏振光無消光現(xiàn)象部分偏振光轉(zhuǎn)動偏振片【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=150mm）、光學測角臺分別裝在機座導軌的滑動座上，調(diào)等高同軸，并使狹縫位于透鏡的焦平面上；黑玻璃鏡裝在光學測角臺中央；對準偏振軸方向的偏振片架裝在轉(zhuǎn)動臂上。當時，轉(zhuǎn)動檢偏器就能觀察到垂直于入射面的

5、光振動被消除的現(xiàn)象（如圖2-1）。圖 2-12.1.2 方法之二在光具座上，由氦氖激光器發(fā)出的光束擦盤直接入射到立在光學測角臺直徑上的黑玻璃鏡面，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

6、6;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°或0.5°）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 2-22.1.3 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

7、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)反復觀測，找到反射光為最暗（甚至為零）的位置，此時的入射角B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（平行于光軸方向的矢量）能夠通過，另一成分則被吸收。若投射在檢偏器圖 2-4A上的線偏振光的振幅為E0，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，所以透射光強I隨而變化的關(guān)系

8、為這就是馬呂斯定律。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°轉(zhuǎn)動一周的過程中，用連接光電流放大器的光電探頭測量透射光強的相對值I，每10°讀取一次數(shù)據(jù)。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、打印出的關(guān)系曲線。圖 2-52.3半波片的作用光束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式中表示光的波長，no和ne表示該晶片對o光e光的折射率。使

9、（k0，±1，±2）的波片稱半波片，它能使o光和e光發(fā)生相位差（符合（k0，±1，±2）條件的波片稱1/4波片）。波片的光軸平行于晶片的表面，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°、60°、75°和90°，相應(yīng)地將A逐次

10、轉(zhuǎn)到消光位置，列表記錄每次A需要轉(zhuǎn)動的角度。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。圖 2-62.4 1/4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角，在直角坐標系內(nèi)，o光和e光的振幅分別為和。從波片出射后的o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。圖 2-7其中有個特殊情況， 即/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

11、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