偏振光的研究6.docx

偏振光的研究 Pb06210113 王心 实验目的: 1、线偏振光的产生与鉴别； 2、圆偏振光的产生与鉴别； 3、椭圆偏振光的产生与鉴别； 4、马吕斯定律 实验原理: 为了研究光的偏振态和利用光的偏振特性进行各种分析和测量工作，需要各种偏振元件：产生偏振光的元件、改变光的偏振态的元件等，下面分类介绍。 1． 产生偏振光的元件 在激光器发明之前，一般的自然光源产生的光都是非偏振光，因此要产生偏振光都要使用产生偏振光的元件。根据这些元件在实验中的作用，分为起偏器和检偏器。起偏器是将自然光变成线偏振光的元件，检偏器是用于鉴别光的偏振态的元件。在激光器谐振腔中可以利用布儒斯特角使输出的激光束是线偏振光。 将自然光变成偏振光的方法有很多，一个方法是利用光在界面反射和透射时光的偏振现象。我们的先人在很早就已经对水平面的反射光有所研究，但定量的研究最早在1815年由布儒斯特完成。反射光中的垂直于入射面的光振动（称s分量）多于平行于入射面的光振动（称p 分量）；而透射光则正好相反。在改变入射角的时候，出现了一个特殊的现象，即入射角为一特定值时，反射光成为完全线偏振光（s分量）。折射光为部分偏振光，而且此时的反射光线和折射光线垂直，这种现象称之为布儒斯特定律。该方法是可以获得线偏振光的方法之一。如图1所示。因为此时 ，， ，若n1=1（为空气的折射率），则 （1） i0 i0 g n1 n2 图 1 布儒斯特定律原理图 S分量 P分量 叫做布儒斯特角，所以通过测量布儒斯特角的大小可以测量介质的折射率。 由以上介绍可以知道利用反射可以产生偏振光，同样利用透射（多次透射）也可以产生偏振光（玻璃堆）。 图2 晶体的双折射 第二种是光学棱镜，如尼科耳棱镜、格兰棱镜等，它是利用晶体的双折射的原理制成的。在晶体中存在一个特殊的方向（光轴方向），当光束沿着这个方向传播时，光束不分裂，光束偏离这个方向传播时，光束将分裂为两束，其中一束光遵守折射定律叫做寻常光（o光），另一束光一般不遵守折射定律叫做非寻常光（e光）。o光和e光都是线偏振光（也叫完全偏振光），两者的光矢量的振动方向（在一般使用状态下）互相垂直。改变射向晶体的入射光线的方向可以找到光轴方向，沿着这个方向，o光和e光的传播速度相等，折射率相同。晶体可以有一个光轴，叫做单轴晶体，如方解石、石英，也可以有两个光轴，叫双轴晶体，如云母、硫磺等。包含光轴和任一光线的平面叫对应于该光线的主平面，o光电矢量的振动方向垂直于o光主平面，e光电矢量的振动方向平行于e光主平面。 格兰棱镜由两块方解石直角棱镜构成，两棱镜间有空气间隙，方解石的光轴平行于棱镜的棱。自然光垂直于界面射入棱镜后分为o光和e光，o光在空气隙上全反射，只有e光透过棱镜射出。 图3 格兰棱镜起偏、检偏原理 第三种是偏振片，它是利用聚乙烯醇塑胶膜制成，它具有梳状长链形结构分子，这些分子平行排列在同一方向上，此时胶膜只允许垂直于排列方向的光振动通过，因而产生线偏振光。它的偏振性能不如格兰棱镜，但优点是价格便宜，且可以得到大面积的。本实验中采用偏振片作为起偏器和检偏器。 2. 波晶片： 又称位相延迟片，是改变光的偏振态的元件。它是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，由于波晶片内的速度vo ,ve 不同（所以折射率也就不同），所以造成o光和e光通过波晶片的光程也不同。当两光束通过波晶片后o光的位相相对于e光延迟量为， (2) 若满足，即我们称之为片，若满足，即，我们称之为片，若满足，即我们称之为全波片（m为整数）。 波晶片可以用来检验和改变光的偏振态，如图4所示，在起偏器后加上一个波片，旋转起偏器或波片就可以得到园或者椭圆偏振光[细节和方法参见文献2、3]。波片是椭偏仪中的重要元件，而椭偏仪可以精确测量薄膜的厚度和折射率，是材料科学研究中常用的精密仪器。 激光器 P1 四分之一波片 P2 光电探测器 图4 用波片改变光的偏振态 偏振光的研究从马吕斯定律开始，马吕斯定律也是最基本和最重要的偏振定律。马吕斯在1809年发现，完全线偏振光通过检偏器后的光强可表示为 （3） 其中的q是检偏器的偏振方向和起偏器偏振方向的夹角。 实验仪器: 本实验使用的偏振光实验仪是以分光计改装成的。仪器构造简图如图5所示，仪器由1、.半导体激光器（波长650nm）2、硅光电池3、起偏器、4、检偏器、5、分光计 图5 仪器简图 1 2 6 3 4 5 WJF-10-7A数字式检流计 1 2 3 7 5 4 6 8 9 10 图6 1数显窗，2，量程选择4档开关，3，衰减旋钮，4电源开关，5电源指示灯，6保持开关，7保持指示灯，8调零旋钮，9模拟输出，10信号输入 和数字式检流计6。起偏器和检偏器均为偏振片，放在360分度度盘内。数字式检流计的前面板如图6所示， 测量范围1´10-10A~1.999´10-4A。 实验内容: 1、验证马吕斯定律 检流计仍放在4档，将起偏器放在光强最强的位置，在管2另一端套上检偏器P2并使竖直方向为0°。然后旋转检偏器P2使检流计的光强最小。此时可以认为P1 与P2偏振方向的夹角为90°，记录此时P2偏振方向的绝对角度值q和光强值I，每隔10°记录一次。 2、根据布儒斯特定律测定介质的折射率： P1 样品 激光器 图7 测量布儒斯特角的光路图 图7 为实验光路，取下检偏器P2将样品平面放在载物台的中心，旋转载物台使反射光反射回激光器入射方向，记下游标的刻度，再旋转游标盘，用一张白纸接受从样品平面反射的光点，调节P1的角度使光强为最弱。旋转游标盘找出完全消光的位置，计下此时游标的刻度，这个角度就是布儒斯特角，由布儒斯特定律求出样品的折射率n。 3、研究1/4波片的性质，产生圆偏光、椭圆偏光 数据记录: 1、起偏器p1的偏转角θ1＝0º θ2/° 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 I/10-7mA 0 0.03 0.4 1.1 2.2 3.4 4.6 5.6 6.4 6.8 θ2/° 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 I/10-7mA 6.85 6.5 5.8 4.7 3.6 2.4 1.3 0.5 0.07 0.04 θ2/ º 290 300 310 320 330 340 350 360 10 20 I/10-7mA 0.4 1.1 2.2 3.5 4.8 5.8 6.5 6.8 6.9 6.6 θ2/° 30 40 50 60 70 80 I/10-7mA 6 4.9 3.6 2.4 1.3 0.5 2、 θ1 　　　θ1´ θ2 θ2´ 121.5°13´ 　　　58°4´ 301.5°17´ 238°3´ ３、起偏器p1的偏转角θ1＝30º θ2/ º 90 110 130 150 170 190 210 230 250 270 I/10-7mA 1.7 2.5 4.2 5.8 6.8 6.6 5.3 3.4 2 1.7 θ2/ º 290 310 330 350 10 30 50 70 I/10-7mA 2.5 4.3 5.9 6.7 6.6 5.3 3.5 2.1 起偏器p1的偏转角θ1＝45º θ2/ º 90 110 130 150 170 190 210 230 250 270 I/10-7mA 2.2 2.3 3.2 4.5 5.6 5.9 5.4 4.2 2.9 2.2 θ2/ º 290 310 330 350 10 30 50 70 I/10-7mA 2.3 3.2 4.5 5.5 5.9 5.4 4.3 3.0 数据处理: 1、验证马吕斯定律 根据1中的数据有起偏器p1和检偏器p2的夹角为φ＝0º即θ2＝360º时的电流I0＝6.8×10-7mA 计算I/I0和cos2θ2，计算结果列表如下： 1 φ/º -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 cos2φ 0 0.03015 0.11698 0.25 0.41318 0.58682 0.75 0.88302 0.96985 1 I/I0 0 0.00441 0.05882 0.16176 0.32353 0.5 0.67647 0.82353 0.94118 1 2 φ/º 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 cos2φ 1 0.96985 0.88302 0.75 0.58682 0.41318 0.25 0.11698 0.03015 0 I/I0 1 1.00735 0.95588 0.85294 0.69118 0.52941 0.35294 0.19118 0.07353 0.01029 3 φ/º -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 cos2φ 0 0.03015 0.11698 0.25 0.41318 0.58682 0.75 0.88302 0.96985 1 I/I0 0.01029 0.00588 0.05882 0.16176 0.32353 0.51471 0.70588 0.85294 0.95588 1 4 φ/º 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 cos2φ 1 0.96985 0.88302 0.75 0.58682 0.41318 0.25 0.11698 0.03015 0 I/I0 1 1.01471 0.97059 0.88235 0.72059 0.52941 0.35294 0.19118 0.07353 0 根据上表作I/I0~cos2φ的关系曲线（0°~90°，-90°~0°各两条） 求得各直线得斜率和截距 1 2 3 4 k 1.001 0.993 1.016 1.011 d -0.052 0.069 -0.049 0.068 从表中可以看出I/I0≈cos2φ，即马吕斯定律I＝I0cos2φ成立， 2、求介质得折射率 i0＝θ－θ＇ 根据2中得记录， 有i0´＝θ1－θ1´＝121.5°13´－58°4´＝63.5°9´＝63.65° i0´´＝θ2－θ2´＝301.5°17´－238°3´＝63°14´＝63.23° i0＝i0’＋i0’‘2＝63.65°＋63.23°2＝63.44° 由布儒斯特定律有介质折射率n＝tani0＝tan63.44°＝2.00 3、椭圆偏振光和圆偏振光 椭圆曲线对应的极角 0≤θ＜π/2-α π/2-α≤θ＜3π/2-α 3π/2-α≤θ＜2π α为起偏器p1的偏转角，当α＝45°时，＝θ＋α 根据3中的数据，有 α＝30° β/ º 108.43 124.53 147.77 180.00 212.23 235.47 251.56 264.18 275.80 288.43 I/10-4mA 4.123 5.000 6.481 7.61577 8.246 8.124 7.280 5.831 4.472 4.123 β/ º 304.53 327.77 360 32.23 55.47 71.56 84.18 95.81 I/10-4mA 5.000 6.557 7.681 8.185 8.124 7.280 5.916 4.582 由上表作I－β图 α＝45° β/ º 135 155 175 195 215 235 255 275 295 315 I/10-4mA 4.690 4.796 5.657 6.708 7.483 7.681 7.348 6.481 5.385 4.690 β/ º 335 355 375 395 55 75 95 115 I/10-4mA 4.796 5.657 6.708 7.416 7.681 7.348 6.557 5.477 由上表作I－β图 由于测量的点还不够多，测量的数据也比较大的误差，所以实际曲线与理论不太相符 思考题: 如何利用分光计测量玻璃平板的折射率？写出实验步骤？ 1、将玻璃平板放在载物台的中心，旋转载物台使反射光反射回激光器入射方向，记下游标的刻度 2、再旋转游标盘，用一张白纸接受从样品平面反射的光点，调节P1的角度使光强为最弱。 3、旋转游标盘找出完全消光的位置，计下此时游标的刻度，这个角度就是布儒斯特角，由布儒斯特定律求出样品的折射率n。