(數(shù)字化綜合6)偏振光的研究

1、實(shí)驗(yàn)六偏振光的研究:1、線偏振光的產(chǎn)生與鑒別：2、圓偏振光的產(chǎn)生與鑒別:光是橫波，它的振動(dòng)方向和光的傳播方向垂直.自然光.即所謂的非偏振光，它的振動(dòng)在垂直于光的傳 播方向的平面內(nèi)可取所有可能的方向.而沒有一個(gè)方向占優(yōu)勢(shì)。某一方向振動(dòng)占優(yōu)勢(shì)的光叫部分偏振光， 只在某一個(gè)固定方向振動(dòng)的光叫線偏振光或平面偏振光.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、橢圓偏振光的產(chǎn)生與鑒別:*4、馬呂斯定律。實(shí)驗(yàn)原理非金屬面的反射和折射光線斜射向非金屬的光滑平面上(例如水、木頭、玻璃等)時(shí)反射光和透射光都會(huì)產(chǎn)生偏振現(xiàn)象，其偏振的程度取決于光的入射角以及反射物的性質(zhì)當(dāng)入射角是某一數(shù)值時(shí)，反射光為線偏振光，這時(shí)的入射角叫起 偏角，起偏角的數(shù)值 a

2、和反射物質(zhì)的折射率有如下關(guān)系：tga = n此關(guān)系稱為布儒斯特定律.從空氣入射到介質(zhì)，一般起偏角在 53至58度之間，根據(jù)布儒斯特定律，可以簡(jiǎn)單地利用玻璃片起偏。 此方法也可以用于測(cè)定物質(zhì)的折射率n O非金屬表面反射的線偏振光的振動(dòng)方向總是垂直于入射面的透射光是部分偏振光，使用多層玻璃組合成 的玻璃堆，可得到很好的透射線偏振光，其振動(dòng)方向是平行行于入射面的。2、偏振片分子型的偏振片是利用聚乙烯醇塑膠膜。它具有梳狀長(zhǎng)鏈形結(jié)構(gòu)的分子，這些分子平行排列在同一方向上.此時(shí)膠膜只允許垂直于分子排列方向的光振動(dòng)通過，因而產(chǎn)生線偏振光，分子型偏振片的有效起偏范圍幾乎可達(dá)到1800,用它可得到較寬的偏振光束，

3、是常用的起偏元件。鑒別光的偏振狀態(tài)叫檢偏，用作檢偏的儀器或元件叫檢偏器.偏振片也可作為監(jiān)偏器使用。自然光、部分 偏振光和線偏振光通過偏振片時(shí)，在垂直光線傳播方向的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)偏振片，可觀察到不同的現(xiàn)象。3、波片與圓偏振光、橢圓偏振光平面偏振光垂直入射晶片，如果光軸平行于晶片表面，會(huì)產(chǎn)生比較特殊的雙折射現(xiàn)象，這時(shí)非常光2兀/e和尋常光0的傳播方向是一致的，但速度不同，因而從晶片出射時(shí)會(huì)產(chǎn)生相位差ne )L式中由于0、e光的振動(dòng)方向相互垂直，取e光軸為z方向，沿x軸、y軸的光矢量分別為 Ex和Ey，則有E2xEy 2ExEy. 2cos彷=sin 匕AeA0AeA0因此(1)$ =2k兀，為線偏振光

4、。6 =(2k +1)兀，為線偏振光;6= (k + )兀2，為正橢圓偏振光;(4 )5不等于以上各值時(shí)，為橢圓偏振光.(以上K=0 O 1,2，)A為單色光波長(zhǎng)，n0和ne為0光和e光的折射率，L為晶片厚度.1/4波片。對(duì)某一波長(zhǎng)的單色光產(chǎn)生右=(2k +1)兀相位差的叫作當(dāng)線偏振光垂直入射到1/4波片時(shí)，且其振動(dòng)方向與波片光軸成 日角，如圖1所示，由于0光和e光的振幅是日的函數(shù)，合成振幅 A因0角的不同而不同。日=刃4時(shí)，A。=Ae,為圓偏振光;日=o或沢/2時(shí)，A。=0或Ae=o， 為線偏振光;日為其他角度時(shí)為橢圓偏振光.對(duì)于任意的e角，相應(yīng)的光強(qiáng)有:le = A2 COS2 02Io

5、= Asin 日 此即為馬呂斯公式，或馬呂斯定律。卜tg2日顯然0光和e光的光強(qiáng)之比為：le實(shí)驗(yàn)裝置：1、組成；本實(shí)驗(yàn)采用的是石英晶體材該偏振光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由光源、偏振器、信號(hào)接收器和控制器等組成，具體如圖所示，實(shí)驗(yàn)中使用的是單 光束的光路，采用格蘭梭鏡做偏振器。A / D卡轉(zhuǎn)波片 波片是相位延遲器的一種，是由雙折射材料制成的一種光學(xué)元件， 料制作的偏振片。信號(hào)接收器是光電轉(zhuǎn)換器件，通常用硅光電池來實(shí)現(xiàn)，把接收到的光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)然后由 換成數(shù)字信號(hào)，為計(jì)算機(jī)紀(jì)錄。在本實(shí)驗(yàn)中，接收器位于檢偏器后，以記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。儀器中的挖制器可根據(jù)需要控制起偏器和檢偏器的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。2、測(cè)量該系統(tǒng)的是利用偏光器件對(duì)光

6、的偏振性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量和鑒別。a偏振光實(shí)驗(yàn)，將光電接收的電信號(hào)經(jīng)A/D變換進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)驗(yàn)中通過測(cè)量光強(qiáng)分布來確定偏振光的偏振態(tài)。用光電器件探測(cè)偏振光時(shí)，應(yīng)注意的一個(gè)問題是：幾乎所有的光電器件都具有偏振敏感性，所以 在探測(cè)偏振態(tài)不同的偏振光時(shí)，既使光功率相同，所輸出的電信號(hào)也隨著偏振態(tài)的不同而不同。為保證測(cè) 量精度，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在光電器件的窗口處加一退偏器（透鏡或毛玻璃），將偏振光變?yōu)榉瞧窆狻偏振光的產(chǎn)生與鑒別線偏振光的產(chǎn)生與鑒別當(dāng)自然光通過偏振器（通常稱之為起偏器）后，由于只有電矢量振動(dòng)方向平行于透射軸的光可以通 過。所以，由偏振器出射的光為線偏振光。判斷偏振光是否是線偏振光， 只要讓

7、偏振光通過一個(gè)偏振器 （稱之為檢偏器），當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，改變 檢偏器透射軸與線偏振光之間的夾角時(shí)，出射的光強(qiáng)隨之改變，根據(jù)偏振器的性質(zhì)可以知道，當(dāng)透射軸與 線偏振光的振動(dòng)方向平行時(shí)，出射的光強(qiáng)最大。而垂直于線偏振光的振動(dòng)方向時(shí)出現(xiàn)消光，即出射的光強(qiáng) 為零。如果檢偏器旋轉(zhuǎn)一周光強(qiáng)變化交替出現(xiàn)兩次最亮和兩次零光強(qiáng)，即兩明兩黑：且符合馬呂斯定律，1（日lloCOS日，（0為檢偏器透射軸與偏振光方向間的夾角），即最亮和最暗之間，檢偏器應(yīng)轉(zhuǎn)過90。,則為線偏振光。圓偏振光產(chǎn)生及鑒別產(chǎn)生圓偏振光的前提條件是首先得到線偏振光，然后線偏振光垂直入射到 幾/4波片，如果線偏振光的振動(dòng)方向與-/4波片的快軸和慢軸成

8、 450角，這時(shí)透過 幾/4片的光是圓偏振光。檢偏器旋轉(zhuǎn)時(shí)，光強(qiáng)沒 有變化。橢圓偏振光的產(chǎn)生及鑒別產(chǎn)生橢圓偏振光的方法是將一束線偏振光正入射到入4片上，線偏振光振動(dòng)方向與 a/4波片慢軸的夾角不等于450,此時(shí)透過X/4波片的光就是橢圓偏振光，其長(zhǎng)軸與波片快軸或慢軸平行。當(dāng)橢圓偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器，光強(qiáng)將出現(xiàn)兩明兩暗，光強(qiáng)出現(xiàn)最亮?xí)r，檢偏器的透射軸的方向就是橢圓的長(zhǎng)軸方 向：光強(qiáng)出現(xiàn)最暗時(shí)，檢偏器的透射軸的方向就橢圓的短軸方向。圖形的繪制：實(shí)驗(yàn)中要得到完整的橢圓曲線.需要作一些工作，現(xiàn)討論如下：當(dāng)裝置如圖3放置，初始時(shí)起偏器 P1和檢偏器P2的偏振化方向正交.1 / 4波片的光軸與起偏器 P

9、1的偏振化方向夾角為 a ,三者之間的關(guān)系如圖 3右邊所示，其中日為實(shí)驗(yàn)采Asm 肺加P1自黠*軸方向PlV光電二劇pj圖3P2的偏振化方向與其初始時(shí)方向之間的夾角.設(shè)自然光的振幅為Ao，則經(jīng)起偏器后的線偏振光的振幅為樣時(shí)樣時(shí)，檢偏器Ao / 2,繹1/4波片后得到尋常光和非常光,人=Asin a,代=cosG起振幅分別為©2V2其振動(dòng)表達(dá)式分別為:AEo(t )=AoSin(wt )=gsin sin(wt )(5)AEe(t )= A0cos(wt )= -；=cosa cos(wt )J2(6)透過檢偏器的光振動(dòng)為E(t )=Eo(t)COS180e-a -0 )+ Ee(t

10、丹羽。®a -6 )把式（5）、（6）代入上式得EQ） 一的A0cos(a +9 sin(wt ) + =C03sin(a +日)cos(wt )72其振幅為A = -7sin a cos(a + 9 j2 + Icosasin(ot +9 和2因此，透過檢偏器的光強(qiáng)為I =為n a cos(a +9 )2 + Fosa sin(a +9 J2 V2（8）在極坐標(biāo)系中作出轉(zhuǎn)角 0與光強(qiáng)平方根I的關(guān)系曲線，其 理論曲線如圖 4所示（圓點(diǎn)線為a =兀/6時(shí)情況。星點(diǎn)線為 a =兀/3時(shí)情況，圖中進(jìn)行了歸一化處理 ）我們可以看出它不 是橢圓曲線，因而也就不能直驗(yàn)證橢圓偏振光的存在。問題出在

11、哪里 ？0圖4這在于橢圓曲線的極角P并不一定等于轉(zhuǎn)角0。對(duì)于橢圓曲線X = acos日，y = bsin日，矢徑r =x2 +y2 =(acoS 2 + (bsi n f，(9)極角為tg P = y =Xsin 叮=tg9 (10)cos廿由（10）可見，只有當(dāng)a=b時(shí)（即為圓時(shí)），這就是JT 0曲線不是橢圓的原因.因此，作出橢圓曲線的關(guān)鍵是找出對(duì)應(yīng)的極角P .通過比較式（8）和（9），我們得到極角的正切應(yīng)為tan P =tan© +8 /tan(1 1)極角P = arctantan(a +£ ytanP = arctankan(a +0 ytan 】+兀 n /2-

12、a < 0 <3n /2- aJ*mK.r-二衣t ' 淪S'T OS 氓PK沖P = arctantan(a +£ ytan +2兀3n /2- a < 0 < 2 n其中反三角函數(shù)均取主值。圖 5給出了 JI P的理論曲線（圓4 -十-HE點(diǎn)線為a =兀/6時(shí)情況。星點(diǎn)線為 a =兀/3時(shí)情況，圖中進(jìn)行了歸一化處理）可以看出它是橢圓曲線, 因此這樣處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以直接驗(yàn)證橢圓偏振光的存在。實(shí)驗(yàn)步驟：?jiǎn)?dòng)微機(jī)上的偏振光實(shí)驗(yàn)軟件時(shí)，一定要打開放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的電控單元的電源開關(guān), 這樣軟件才能實(shí)時(shí)顯示光電接收器的信號(hào)。在屏幕的最下方顯示有當(dāng)前角度

13、和光強(qiáng)值。1、安裝與調(diào)試根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟按圖2的次序依次放好各光學(xué)元件.同時(shí)檢查：圖2a.激光源發(fā)出的光束平行于光學(xué)平臺(tái)，保證其中心高度在220mm左右。b 光束是否通過放入光路中的部件（如：格蘭棱鏡、接收器等 ）的中心。應(yīng)保證信號(hào)光垂直入射到接收器上。C.檢查完成后，用光屏觀察輸出，基本正常后，啟動(dòng)軟件，記錄偏振片旋轉(zhuǎn)時(shí)接 收器所采集的信號(hào)。d.調(diào)整光束是否對(duì)準(zhǔn)接收器的靶面，可將接收器前的毛玻璃蓋擰下，使光束對(duì)準(zhǔn) 靶心。f.注意!電箱有很多聯(lián)線插頭必須先關(guān)掉電箱開關(guān)再接線或拔線。3、測(cè)量1.起偏在光路上安置透鏡、 起偏器和光電接收器， 打開激光器，使起偏器垂直于光束的平面 內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)（選擇1號(hào)電機(jī)，

14、按采集鍵），則可在屏幕上觀察到透過光強(qiáng)的變化。要求顯示的曲線為正弦形（偏振片轉(zhuǎn)360°）,光滑、等高，表明測(cè)定的激光為線偏振光。 應(yīng)用角度檢索功使1號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)到光強(qiáng)值最大的位置。若曲線噪聲大.可檢查信號(hào)光束是否進(jìn)入接收器靶面中心；當(dāng)曲線的二極大值不相等時(shí)，微微轉(zhuǎn)動(dòng)格蘭棱鏡的支架，改變?nèi)肷涔獾娜肷浣牵纯色@得滿意的效果。注意：如果光強(qiáng)最小值不為零，應(yīng)該調(diào)整光學(xué)器件與光線的相對(duì)位置。2.消光，要求記錄該位置時(shí)的角度和光強(qiáng)值在光路上添加檢偏器，使起偏器固定（不再轉(zhuǎn)動(dòng)1號(hào)電機(jī)），在垂直于光束的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)檢偏器（開啟2號(hào)電機(jī)），觀察圖象。是否能找到一個(gè)位置使光完全消失？（應(yīng)用軟件提供的讀取數(shù)據(jù)鍵，得到消光時(shí)的角度值；再利用角度檢索功能使 2號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)到該角度值，此即 為消光位，。此時(shí)兩偏振器之間有什么關(guān)系 ?）3.圓偏振光和橢圓偏振光的產(chǎn)生（1）完成實(shí)驗(yàn)2后，使起偏器和檢偏器處在消光位置，然后插入一片1/4波長(zhǎng)片（注意使光線盡量穿過元件中心 ）.（2）以光線為軸先轉(zhuǎn)動(dòng)1/4波片消光（以軟件顯示的光強(qiáng)值為依據(jù)，要求