偏振光实验报告.pdf
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1、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
2、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。起偏角的数值与反射物质的折射率n的关系是: ntan(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。 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
3、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。 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 ( ) 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
4、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 dnn e) ( 2 0 0 (2) 式中 0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,k=0,1, 2,这样的晶片称 为 1/4 波片,其最小厚度为 0 min 4() oe d nn 。线偏振光通过1/4 波片后,透射光一般是椭 圆偏振光; 当=/4 时,则为圆偏振光; 当 0或/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
5、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)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() oe d nn 。如果入射线偏振光的振动面与半波片光轴的交角为 ,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2角。 3 如果晶片的厚度使产生的相差2k,k=1,2,3,这样的晶片称为全波片, 其最小厚度为 0 min oe d nn 。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 0 I的线偏振光通过检偏器后的光强I为 2 0 cosII (3) 式中,为线偏振
6、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= 0 0) 。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= 90 0) 。 (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
7、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
8、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 / nntg (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
9、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=0 或 180,保持P1不动,旋转P2,每隔 10记录一次对应的光强值I,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,I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 11/4 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、
10、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。 21/2 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,
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