偏振光实验报告

实 验 报 告

学生姓名: 学 号: 指导教师: 实验地点: 实验时间:

一、实验室名称:偏振光实验室 二、实验项目名称:偏振光实验 三、实验学时: 四、实验原理:

光波的振动方向与光波的传播方向垂直。自然光的振动在垂直与其传播方向的平面内,取所有可能的方向;某一方向振动占优势的光叫部分偏振光;只在某一个固定方向振动的光线叫线偏振光或平面偏振光。将非偏振光(如自然光)变成线偏振光的方法称为起偏,用以起偏的装置或元件叫起偏器。

(一)线偏振光的产生

1.非金属表面的反射和折射

光线斜射向非金属的光滑平面(如水、木头、玻璃等)时,反射光和折射光都会产生偏振现象,偏振的程度取决于光的入射角及反射物质的性质。当入射角是某一数值而反射光为线偏振光时,该入射角叫起偏角。起偏角的数值α与反射物质的折射率n 的关系是:

n

=αtan (1)

称为布如斯特定律,如图1所示。根据此式,可以简单地利用玻璃起偏,也可以用于测定物质的折射率。从空气入射到介质,一般起偏角在53度到58度之间。

非金属表面发射的线偏振光的振动方向总是垂直于入射面的;透射光是部分偏振光;使用多层玻璃组合成的玻璃堆,能得到很好的透射线偏振光,振动方向平行于入射面的。

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图 1 图 2

2.偏振片

分子型号的偏振片是利用聚乙烯醇塑胶膜制成,它具有梳状长链形结构的分子,这些分子平行地排列在同一方向上。这种胶膜只允许垂直于分子排列方向的光振动通过,因而产生

线偏振光,如图2所示。分子型偏振片的有效起偏范围几乎可达到180度,用它可得到较宽的偏振光束,是常用的起偏元件。

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图 3

鉴别光的偏振状态叫检偏,用作检偏的仪器叫或元件叫检偏器。偏振片也可作检偏器使用。自然光、部分偏振光和线偏振光通过偏振片时,在垂直光线传播方向的平面内旋转偏振片时,可观察到不同的现象,如图3所示,图中(α)表示旋转P ,光强不变,为自然光;(b )表示旋转P ,无全暗位置,但光强变化,为部分偏振光;(c )表示旋转P ,可找到全暗位置,为线偏振光。

(二)圆偏振光和椭圆偏振光的产生

线偏振光垂直入射晶片,如果光轴平行于晶片的表面,会产生比较特殊的双折射现象。这时,非常光e 和寻常光o 的传播方向是一致的,但速度不同,因而从晶片出射时会产生相位差

d n n

e )(200

-=

λπ

δ (2)

式中0λ表示单色光在真空中的波长,o n 和e n 分别为晶体中o 光和e 光的折射率,d 为晶片厚度。

1.如果晶片的厚度使产生的相位差1

(21)2

k δπ=+,k =0,1,2,…,这样的晶片称为1/4波片,其最小厚度为0

min 4()

o e d n n λ=

-。线偏振光通过1/4波片后,透射光一般是椭

圆偏振光;当α=π/4时,则为圆偏振光;当0=α或π/2时,椭圆偏振光退化为线偏振光。由此可知,1/4波片可将线偏振光变成椭圆偏振光或圆偏振光;反之,它也可将椭圆偏振光或圆偏振光变成线偏振光。

2.如果晶片的厚度使产生的相差πδ)12(+=k ,k =0,1,2,…,这样的晶片称为半波片,其最小厚度为0

min 2()

o e d n n λ=

-。如果入射线偏振光的振动面与半波片光轴的交角为

α,则通过半波片后的光仍为线偏振光,但其振动面相对于入射光的振动面转过α2角。

3. 如果晶片的厚度使产生的相差2k δπ=,k =1,2,3,…,这样的晶片称为全波片,

其最小厚度为0

min o e

d n n λ=

-。从该波片透射的光为线偏振光。

(三)线偏振光通过检偏器后光强的变化

强度为0I 的线偏振光通过检偏器后的光强θI 为

θθ20cos I I = (3)

式中,θ为线偏振光偏振面和检偏器主截面的夹角,(3)式为马吕斯(Malus )定律,它表示改变角可以改变透过检偏器的光强。

当起偏器和检偏器的取向使得通过的光量极大时,称它们为平行(此时θ= 00

)。当二

者的取向使系统射出的光量极小时,称它们为正交(此时θ= 900

)。

(四)布儒斯特角

光线斜射向非金属介质的表面,当入射角是某一数值时,其反射光为线偏振光,该入射角叫起偏角,又称布儒斯特角。

以自然光入射两种介质的界面,其反射光和折射光通常都是部分偏振光。

五、实验目的:

(一)理解光的各种偏振特性;

(二)学会鉴别圆偏振光、线偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光; (三)验证马吕斯定律;

(四)通过测布儒斯特角求材料的相对折射率。

六、实验内容:

(一)观察起偏和消光现象;

(二)鉴别圆偏振光、线偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光; (三)验证马吕斯定律;

(四)了解1/4波片和1/2波片的作用;

(五)通过测布儒斯特角求材料的相对折射率。

七、实验器材(设备、元器件):

半导体激光器1个,具有测量垂直旋转角度功能的偏振片2个、1/4波片1个和1/2波片1个,带底座玻片1个,布儒斯特角专用旋转工作台和转动支架1个,普通光具座若干,光学导轨(两组合用)1条,光强传感器和相对光强测量仪1套。

八、实验步骤:

进行以下操作时,应保证激光束与光学导轨平行,且激光束垂直穿过所有镜片的圆心,到达传感器的中心。

(一)观察起偏和消光现象。

1.起偏:将激光投射到屏上,在激光束中插入一偏振片,使偏振片在垂直于光束的平面内转动,观察透过光强的变化,并据此判断激光束(光源)的偏振情况。

2.消光:在第一片偏振片和屏之间加入第二块偏振片,将第一块固定,转动第二块偏振片,观察现象,能否找到一个消光位置,此时两偏振片的位置关系怎样?

12/n

n tg =α

(二)验证马吕斯定律

数据记录表见表1?1。首先在光源后放上P1,使激光束垂直通过P1中心,旋转P1使光强最强(光电流的读数应在200?1500之间),记下P1的角度坐标,再在P1之后加入P2,使光线垂直通过P2中心,旋转P2到透过之光最强,记下P2的度数,此时P1和P2的夹角为θ=0°或180°,保持P1不动,旋转P2,每隔10°记录一次对应的光强值Iθ,直到旋转180°。注意光强测试仪的读数与光强成线性关系,但没有定标,Iθ不代表绝对光强,可以不写单位。

(三)1/4波片和1/2波片的作用

1.1/4波片的作用:

数据记录及分析表见表1?2。保持P1不动,记下P1的度数,旋转P2到看到消光现象,记下P2的度数,然后在P1、P2之间插入1/4波片C1,并使C1转动到再次出现消光现象,记下此时C1的度数,然后使C1由消光位置分别再转过15°、30°、45°、60°、75°、90°时,每次都将P2逐步旋转360°,观察其间光强的变化情况,试问能看到几次光强极大和极小的现象?各次之间有无变化?为什么?并说明各次由C1透出光的偏振性质。

2.1/2波片的作用

数据记录表见表1?3。保持P1不动,记下P1的度数,旋转P2到看到消光现象。

(1)在P1和P2之间插入一个1/2波片,将此波片旋转360°,能看到几次消光?

(2)将1/2波片任意转过一个角度,破坏消光现象,再将P2旋转360°,能看到几次消光?

(3)改变1/2波片的光轴与激光通过P1后偏振方向之间夹角θ的数值,使其分别为15°、30°、45°、60°、75°、90°,把P2旋转360°寻找消光位置,记录相应的角度θp2,解释上面实验结果,并由此总结出1/2波片的作用。

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射率

要测量玻璃的相对折射率,首先要测出空

气中平面玻璃的布儒斯特角。为此,必须在光

具座上安装旋转工作台和转动支架。参考图

1?1,具体步骤如下:

1.在光具座上装一个移动座,其后再放入

专用移动座,并把旋转支架装到专用移动座上,

再把旋转工作台装入到专用移动座上,把接收

屏装入旋转支架的末端,把偏振片装在工作台

与接收屏之间。

2.在移动座上装上光源。并调整反射光、偏振片光轴、接收器光轴在同一平面内。

3.将平面玻璃样品置于旋转工作台中心,并使反射面通过旋转中心,并用压片把样品砖固定。使反射面垂直于入射光,读下此时工作台度数i o。

转动载物台以改变入射角,致使反射光为线偏振光,即旋转接收屏前的偏振片时会出现

消光现象,读下此时旋转工作台的度数i1,记录到表1?4。重复3次,取i1平均值。

4.0i i i l -=,i 为所测得布儒斯特角。由此公式求出相对折射率:

tg i =n 2/n 1 n 2=n 1·tg i

式中 n 2为要求的相对折射率, n 1为空气的折射率,值为1。(n 1是多少位有效数字?)

九、实验数据及结果分析:

(一)观察起偏和消光现象

(1)起偏:在激光束中插入一偏振片,3600旋转偏振片,观察透过光强几乎看不出明暗变

化,根据光源判断已起偏得到偏振光。

(2)消光:在第一片偏振片和屏之间加入第二块偏振片,3600转动第二块偏振片,观察透过光强有2次消光,2次最强的现象,在消光位置,此时两偏振片的位置相互垂直。 00

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计算cos 2θ值

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绘制出I θ—θ和I θ—cos 2θ曲线图,并分析曲线的含义。

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光电流I θ和P 1和P 2之间的夹角θ的关系图

从图中可以看出光电流I θ随着θ有小变大其值由最大变为零又变为最大,变化形式为

余弦函数关系。

光电流I θ与cos 2

θ关系图

由2

cos

θ—I θ可知道2cos θ与I θ成线性关系。

(三)1/4波片的作用

o P 01= o P 5.922= o C 904

1=波片λ

θ/度 I θ

I θ

I θ

cos 2θ

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答:1/4波片可将线偏振光变成椭圆偏振光或圆偏振光;反之,它也可将椭圆偏振光或圆偏振光变成线偏振光 (四)1/2波片的作用

1.在P 1和P 2之间插入一个1/2波片,将此波片旋转3600,能看到几次消光?请加以解释。

答:能看到四次消光。如果入射线偏振光的振动面与半波片光轴的交角为α,则通过半波片后的光仍为线偏振光,但其振动面相对于入射光的振动面转过α2角。

2.将1/2波片任意转过一个角度,破坏消光现象,再将P 2旋转3600,又能看到几次消光?为什么?

答:能看到两次消光。如果入射线偏振光的振动面与半波片光轴的交角为α,则通过半波片后的光仍为线偏振光,但其振动面相对于入射光的振动面转过α2角。

3.改变1/2波片的快(或慢)轴与激光振动方向之间夹角θ的数值,使其分别为150、300、450、600、750、900,旋转P 2到消光位置,记录相应的角度θp2。

000

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解释上面实验结果,并由此总结出1/2波片的作用。 答:如果入射线偏振光的振动面与半波片光轴的交角为α,则通过半波片后的光仍为线偏振光,不改变入射光的偏振性质,但其振动面相对于入射光的振动面转过α2角。

(五)通过测布儒斯特角求材料的相对折射率

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由公式i=i 1- i o 和tgi=n 2/n 1,求材料的相对折射率和相对误差。

03215.560.566.570.56=++=++=i i i i

玻璃材料折射律:

2156.5 1.51n tgi tgi tg n =?===

相对误差:%5.3%10045845

.145845

.1-51.1%100-E 2=?=

?=

测n n n n

十、实验结论:

1、本实验通过偏振片观察到了起偏和消光现象。 2.掌握了1/4波片的作用:线偏振光通过1/4波片后,投射光一般是椭圆偏振光;当α=π/4时则为圆偏振光;α=0或π/2当时,椭圆偏振光退化为线偏振光。由此可知,1/4波片可将线偏振光变成椭圆偏振光或圆偏振光;反之,它也可将椭圆偏振光或圆偏振光变成线偏振光。

3.掌握了1/2波片的作用:由实验数据可以看出:如果入射线偏振光的振动面与波片光轴的交角为α,则通过半波片后的光仍为线偏振光,但其振动面相对于入射光转过2α。 4.验证马吕斯定律:结果分析:由2cos θ—I θ可知道2

cos θ与I θ成线性关系,满足马吕

斯定律θθ2

0cos I I =。

5.通过测定布儒斯特角求材料的相对折射律 :所测玻璃材料相对折射率为1.51 。

十一、总结及心得体会、实验改进:

本实验的设计简明易懂,能使大家能很好地理解其实验的原理,对光偏振的特性既有理性的认识,又有感性的认知,理论结合实践,也提高了对学习的热情。光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性,而光的偏振现象却直接有力地证明了光波是横波。本实验通过对偏振光的观察和分析,帮助我们加深对光的偏振基本规律的理解。

本次实验我通过对偏振光的观察和分析,加深了对光的偏振基本规律的理解。实验中,我观察了光的偏振现象,掌握产生偏振光的方法和检验方法;了解了1/4和1/2波片的的作用及不同偏振性质光产生和检验的方法;完成了验证马吕斯定律;通过测定布儒斯特角求材料的相对折射率等内容。

通过本次试验,使我进一步的了解到了偏振光的有关知识。对光有了更深一步的了解。 本实验若能提高仪器在采集光源时的灵敏度,那么在光源对准仪器时就不会难调节了,偏振片偏振化方向与角度对应关系需要再进一步的调整。

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