实验二偏振光实验_伤城文章网
实验二【实验目的】偏振光实验1、 加深对布儒斯特角定义和马吕斯定律的理解； 2、 了解半波片的作用； 3、 通过检测 1/4 波片位相延迟角，熟悉偏振光干涉原理。 【实验仪器及装置】 导轨、氦氖激光器、光学测角台、透镜、波片、偏振片、光电探头、光电流放大器等 【实验内容及步骤】 一、测量布儒斯特角 按图 1 所示在光具座上布置光路。 He-Ne 激光发出的细光束通过一个偏振轴为水平方 使 向的起偏器之后，照射立在光学测角台上的黑玻璃镜，转动测角台，使反射光束原路返回， 以此位置为零度，再转动测角台，使入射角约达 56?~57?时锁紧度盘，利用滑动座升降微调 装置适当降低测角台， 然后放松转动臂， 在光电探头随着转臂缓慢转动过程中测量反射光的 相对光强。经反复观测，找到反射光为最暗（甚至为零）的位置，其入射角?B 就是布儒斯 特角。图1 【数据记录及处理】测量布儒斯特角表 1 布儒斯特角实验数据表 第一次 布儒斯特角?B 二、马吕斯定律 如果光源中的任一波列（用振动平面 E 表示）投射在起偏器 P 上（图 2） ，只有相当于 它的成分之一的 Ey（平行于光轴方向的矢量）能够通过，另一成分 Ex （＝Ecos?）则被吸 收。若投射在检偏器 A 上的线偏振光的振幅为 Eo，则透过 A 的振幅为 E0cos? （这里? 是 第二次 第三次 平均值P 与 A 偏振方向之间的夹角） 。由于光强与振幅的平方成正比，所以透射光强 I 随? 而变化 的关系为I ? I 0 cos这就是马吕斯定律。2?实验步骤：让激光束垂直通过起偏器成为偏振光，用检偏器检查时，使两个偏振器的 透振方向的夹角在? 从 0?转动一周的过程中，用连接光电流放大器的探头测量透射光强的 相对值 I，每 10?或 15?读取一次数据。然后画出 I~? 关系曲线。图2 【数据记录及处理】起偏器表 2 马吕斯定律实验数据表 ? I ? I 三、半波片的作用 光束进入双折射晶体时被分成符合折射定律的寻常光（o 光）和不符合折射定律的非寻 常光（e 光） 光和 e 光都是偏振光，但在晶体内有不同的波速，因此通过厚度一定的晶片 。o 时光程也不同。设晶片厚度为 d，o 光和 e 光通过晶片后就有相位差 180o0o15o30o45o60o75o90o105o120o135o150o165o195o210o225o240o255o270o285o300o315o330o345o?＝2???n o? n e ?d式中?表示光的波长，o 和 ne 表示该晶片对 o 光和 e 光的折射率。 ? = (2k+1)? (k=0, ?1, ? 2…) n 使 的波片为半波片，它能使 o 光和 e 光发生相位差?。 符合使? = (2k+1)?/2 (k=0, ?1, ? 2…)条件的波片为 1／4 波片。波片的光轴平行于晶片的表面，在圆框上用短线标出。 实验步骤：激光束通过起偏器 P 变成线偏振光，将检偏器 A 的透振方向定在屏 C 上光 斑为最暗的角度上，然后在 P 和 A 之间加入半波片 H （如图 3 所示） 。使 H 绕水平轴转动 360，同时观察 C 上发生消光现象的次数并作解释；再进一步，使激光束的入射面与检偏器 正交，加入 H 后，将其旋转到 C 上消光位置，从该位置开始，将 H 分别转动 15?、30?、45?、 60?、75?和 90?，相应地将 A 逐次转到消光位置，列表记录每次 A 需要转动的角度。从实验 结果总结出平面偏振光通过半波片后，振动面的变化规律，并予以解释。激光器起偏器 P 图31/2 波片 H 实验光路图检偏器 A光屏 C【数据记录及处理】 表3 一、H 转动 360o半波片实验数据表 得 出 结 30oC 上消光次数： 15o二、H 转动角度： A 转动角度： 得出结论：45 论：o60o75o90o四、1／4 波片与椭圆偏振光、圆偏振光 当振幅为 A 的面偏振光入射到石英晶体做成的波片时，若振动方向与波片光轴夹?角， 在直角坐标系内，o 光和 e 光的振幅分别为 Ao＝A sin? 和 Ae＝A cos?。从波片出射后的 o 光和 e 光的振动可以用两个互相垂直、同频率、有固定相位差的简谐振动方程表示，二者的 合振动方程为椭圆方程，合振动矢量的端点轨迹一般为椭圆（如图 4 所示） ，所以称作椭圆 偏振光。其中有个特殊情况，即? ＝?／4，o 光和 e 光振幅相等，合振动矢量的端点轨迹是 圆，椭圆偏振光退化为圆偏振光，用检偏器检验，波片的透射光强是不变的。图4椭圆偏振光形成图实验步骤：光路与图 3 类似，只是更换了波片。使通过 P 的线偏振光与 A 正交，C 上 光斑达到最暗，然后在 P 和 A 之间加入 1/4 波片 Q，直到 C 上光斑最暗，从这个消光位置 开始，每当 Q 转动 15?、30?、45?、60?、75?、和 90?时，都将 A 转动 360?。根据屏上或光 电接收装置显示的光强变化记录，可以判断通过 1/4 波片的透射光的偏振态（限于平面偏振 光、椭圆偏振光和圆偏振光） 。 【数据记录及处理】 表3 Q 转动角度： 15 30 45 60 75 90o1／4 波片实验数据图 结论（透射光的偏振态）光强变化现象ooooo五、1/4 波片位相延迟角检测 平行偏振光干涉光路如图 3 所示，P、Q、A 分别为起偏器、1/4 波片、检偏器，?、? 分别是 P、 A 的透光轴方向与波片快轴方向的夹角。如图 4 所示，通过检偏器 A 的两个分 量的振动方向相同、位相差一定，因而发生干涉，干涉后的强度可表示为? 2 2 ? ? I ? I 0 co s ? ? ? ? ? ? sin 2 ? sin 2 ? sin ? 2? ? ?(1)式中 I0 是透过起偏器 P 的光强。 对于某一确定的?值，当检偏器 A 透光方向与波片透射的椭圆偏振光的长轴方向一致 时，检偏器的透射干涉光强应有最大值 Imax。如果与 Imax 对应的?为?m，为了确定?m 与?的关 系，可由（1）式? dI ? ? ? ? 0 ? ? ? d? ? ? ? ? m得到co s ? ?tg 2 ? m tg 2 ?(2)对待测 1/4 波片，选定?值后，旋转检偏器测出透射光强最大?m 的值，即可按式（2）计算 1/4 波片的位相延迟角?。 我们注意到，当?＝45?时，有 tg2???，则不能用（2）计算?。实际上，这时检偏器的 透射光强 I ? I 0 / 2 ?1 ? sin 2 ? cos ? ? ， 无论?取什么值，总是在?＝45?时有极大值 Imax， I 因此，用本方法测量位相延迟角?时，不能选取?＝45?。 从误差理论知道，若??和??m 是?和?m 的随机误差，则?的均方根误差为??＝ ?2 tg ?? ?? ?22sin 4 ??? ?? m ?22sin 4 ? m(3)上式表明，??和??对??的影响与?和?的值有关，并且??从 0?90?以及从 180??90?而单调 减小。因此，当?在??2 附近，?的测量精度最高，同理可得，当?＝45?附近时，?的测量误差 却最大。 进一步分析表明，对于位相延迟角接近??2 的波片，若取?＝35?或?＝55?左右，则测量 误差??最小；而?值偏离 35?越远，误差越大，所以实测时，以选取?＝35?或?＝55?为宜。实验步骤： 1、 在如图 3 的实验装置中，取下 1/4 波片，旋转起偏器和检偏器，使它们的透光轴方向平 行，此时光电探测器的输出最大。 2、 在起偏器和检偏器之间放入待检测的 1/4 波片，并使 1/4 波片表面和系统光轴垂直，并 尽可能使其转动中心在系统的光轴上。转动 1/4 波片使其快轴（或慢轴）方向与起偏器 和检偏器透光轴方向一致。此时光电探测器输出最大。分别记下起偏器、1/4 波片、检 偏器的度盘指示值。 3、 转动起偏器，使其透光轴转过某一?角（注意转动方向） 。 4、 转动检偏器，找到平行偏振光干涉光强的最大值（即光电探测器输出最大值）位置。这 时检偏器透光轴转过的角度即为?m （注意转动方向）. 5、 将?、?m 代入（2）式，计算待测 1/4 波片的位相延迟角?。 对同一待测 1/4 波片，选用稍有不同的?值进行多次测量，列出数据表格，计算不同?值时的 位相延迟角及误差。 【数据记录及处理】 表4 第一次测量 ? ? 1/4 波片位相延迟角检测实验数据 第二次测量 ? 第三次测量?mcos? ? ?? 【实验注意事项】?mcos? ? ???mcos? ? ??1、 仪器轻拿轻放，防止碰撞和震动，以防止镜面擦伤。 2、 禁止用手触及光学零件的透光表面。 调节过程中应避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。
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实验目的：
1、理解偏振光的基本概念，偏振光的起偏与检偏方法；
2、学习偏振片与波片的工作原理与使用方法。
仪器设备及编号：
SGP-2A型偏振光实验系统、AP-1型光电流放大器
实验原理：
1、光波偏振态的描述：
一般用光波的电矢量（又称光矢量）的振动状态来描述光波的偏振。按光矢量的振动状态可把光波偏振态大体分成五种：自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。
2、 偏振片和马吕斯定律：
偏振片有一个透射轴（即偏振化方向）和一个与之垂直的消光轴，对于理想的偏振片，只有光矢量振动方向与透射轴方向平行的光波分量才能通过偏振片。因此光波通过偏振片后，将变成光矢量沿透射轴方向振动的线偏振光，因此利用偏振片可以产生线偏振光。
图一、线偏振光的产生和检测
将两个偏振片p1和p2平行放置（如图一），它们的偏振化方向分别用它们上面的虚线表示。当自然光垂直入射p1后产生线偏振光。又由于自然光中光矢量对称均匀，所以将p1绕光的传播方向慢慢转动时，透过p1的光强不随p1的转动而变化，但它只有入射光强的一半。再使透过p1形成的线偏振光入射于偏振片p2，这时如果将p2绕光的传播方向慢慢转动，则因为只有平行于p2透射轴方向的光振动才允许通过，透过p2的光强将随p2的转动而变化。当p2的偏振化方向平行于入射光的光矢量方向，好p1和p2的偏振化方向平行时，透过它的光强最强。当p2的偏振方向垂直于入射光的矢量方向，即p1和p2的偏振化方向垂直时，透过化的光强为零，称为消光。将p2旋转一周时，透射光光强出现两次最强，两次消光。这种情况只有在入射到p2上的光是线偏振光时才发生，因而这也就是成为识别入射光是线偏振光的依据。在这个方案中，我们把产生线
偏振光的偏振片p1称为起偏器，用以分析光的偏振片p2称为检偏器。
当入射的线偏振光的光矢量振动方向与检偏器的偏振化方向成θ角时，若以i1表示入射线偏振光的光强，则透过检偏器后的光强I2为 I2=I1cos2θ，这就是马吕斯定律。
3、 波片和双折射
当一束自然光穿过各向异性的晶体（如方解石晶体）时分成两束线偏振光的现象称为双折射现象，如图二。其中的一条折射光服从折射定律，沿各方向的光的传播速度相同，各向折射率n。相同，且在入射面内传播，这一条光称为寻常光，简称o光。另一条折射光不服从折射定律，沿各方向的光的传播速度不相同，各向折射率ne不相同，并且不一定在入射面内传播，这一条光称为非常光，简称e 光。
图二、双折射现象
4、 反射起偏振和布儒斯特角
自然光在两种各向同性的电介质的分界面上反射和折射时，不仅光的传播方向要改变，而且偏振状态也要发生变化。一般情况下，反射光和折射光都是部分偏振光。反射光中振动方向垂直入射面得成分比平行于入射面的成分占优势；折射光中振动方向平行于入射面的成分比垂直入射面的成分占优势，见下图。 反射光的偏振化程度和入射角有关，当入射角等于某一特定值ib时，反射光是光振动垂直于入射面的线偏振光，这个特定的入射角ib 称为起偏振角，或称为布儒斯特角。当光线以起偏振角入射时，反射光和折射光的传播方向相互垂直，即ib+r=∏/2。根据折射定律有：
实验步骤：（具体细节详见实验书P65）
1、仪器检查。按照实验原理及要求来检查；
2、偏振片的特性和马吕斯定律的验证；
3、波片的特性研究；
4、布儒斯特角的测定。
实验数据及处理：
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