偏振光實(shí)驗(yàn)報(bào)告仿真

1、實(shí)驗(yàn)報(bào)告-物理仿真實(shí)驗(yàn)課 程： 大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)名稱：偏振光實(shí)驗(yàn)系 別： 電信學(xué)院 實(shí)驗(yàn)報(bào)告日期： 2009 年 11 月 28 日專業(yè)班級(jí)： * 學(xué)號(hào)：* 姓 名： * 教師審批簽字 1.實(shí)驗(yàn)原理：偏振光原理： 按電磁波理論,光是橫波，它的振動(dòng)方向和光的傳播方向垂直.實(shí)際中最常見(jiàn)的光的偏振態(tài)大體為五種，即自然光、線偏振光、部分偏振光、圓偏娠光和橢圓偏振光1. 自然光是各方向的振幅相同的光。對(duì)自然光而言，它的振動(dòng)方向在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)可取所有可能的方向，沒(méi)有一個(gè)方向占有優(yōu)勢(shì).若把所有方向的光振動(dòng)都分解到相互垂直的兩個(gè)方向上，則在這兩個(gè)方向上的振動(dòng)能量和振幅都相等。2 線偏振光是

2、在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，光矢量只沿一個(gè)方向振動(dòng)。起偏器是將非偏振光變成線偏振光的器件；檢偏器是用于鑒別光的偏振光狀態(tài)的器件。常見(jiàn)的起偏或檢偏的元件構(gòu)成有兩種：偏振片：它是利用聚乙烯醇塑膠膜制成，它具有梳狀長(zhǎng)鏈形結(jié)構(gòu)分子，這些分子平行排列在同一方向上，此時(shí)膠膜只允許垂直于排列方向的光振動(dòng)通過(guò)，因而產(chǎn)生線偏振光. 光學(xué)棱鏡：如尼科耳棱鏡、格蘭棱鏡等，它是利用光學(xué)雙折射的原理制成的；3 部分偏振光：除了自然光和線偏振光外，還有一種偏振狀態(tài)介于兩者之間的光如果用偏振片去檢驗(yàn)這種光的時(shí)候，隨著檢偏器透光方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，透射光的強(qiáng)度既不象自然光那樣不變，又不象線偏振光那樣每轉(zhuǎn)90o。交替出現(xiàn)強(qiáng)度極大和消光其

3、強(qiáng)度每轉(zhuǎn)90o也交替出現(xiàn)極大和極小，但強(qiáng)度的極小不是0(即不消光)。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)看，這種光的振動(dòng)雖然也是各方向都有，但不同方向的振幅大小不同，具有這種特點(diǎn)的光，叫做部分偏損光我們假定波是沿z軸傳播的，在圖中它垂直紙面迎面而系這時(shí)若電矢量按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，我們稱為左旋圓偏振光。若順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，稱為右旋圓偏振光。5 橢圓偏振光電矢量的端點(diǎn)在波面內(nèi)描繪的軌跡為一橢圓的光，叫橢圓偏振光。橢圓運(yùn)動(dòng)也可看成是兩個(gè)相互垂直的線偏振光的合成，只是它們的振幅不等，或位相差不等于±/2。橢圓長(zhǎng)、短軸的大小和取向，與振幅Ax, Ay和位相差 都有關(guān)系?？梢钥闯鼍€偏振光和圓偏振光都是橢圓偏振光的特例，常用波晶片

4、把橢圓偏振光轉(zhuǎn)換為線偏振光。橢圓偏振光退化為圓偏振光的條件是：Ax Ay 和 ±/2。橢圓偏振光退化為線偏振光的條件是：Ax 0，或Ay 0，或 0，±。橢圓偏振光也有左、右旋之分，其定義與前面圓偏振光的定義相同。波晶片：又稱位相延遲片，是從單軸晶體中切割下來(lái)的平行平面板，由于波晶片內(nèi)的速度vo,ve不同，所以造成o光和e光通過(guò)波晶片的光程也不同.當(dāng)兩光束通過(guò)波晶片后o光的位相相對(duì)于e光多延遲了=2(n0-n1)d/，若滿足(ne-no)d=±/4，即=±/2我們稱之為/4片，若滿足(ne-no)d=±/2，即=±，我們稱之為/2片，

5、若滿足(ne-no)d=±，即=2我們稱之為全波片。布儒斯特定律： 自然光以任意入射角i入射于兩種各向同性的透明介質(zhì)的分界面商。一般情況下，反射光和入射光分別是部分偏振光，垂直于入射面振蕩的電矢量在反射光中占主要地位。在入射面上振蕩的電矢量在折射光中占主要地位。有一特殊入射角b,當(dāng)i =b 時(shí)，反射光線垂直于折射光線(i +b = /2)，反射光變成完全偏振光。該現(xiàn)象最早在1815年為布儒斯特所發(fā)現(xiàn)，我們稱之為布儒斯特定律，b叫做布儒斯特角，滿足下列方程： 其中n1，n2是相鄰兩種媒質(zhì)的折射率。改變射向晶體的入射光線的方向，可以找到一個(gè)確定的方向，沿著這一方向，o光和e光傳播速度相等

6、，折射率相同，不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，這個(gè)方向叫做光軸。只有一個(gè)光軸的晶體叫做單軸晶體(如方解石、石英等)，有兩個(gè)光軸的晶體稱為雙軸晶體(如云母、硫磺等)。包含光軸和任一光線的平面，稱做對(duì)應(yīng)于該光線的主平面。O光的電矢量的振動(dòng)方向垂直于主平面。e光電矢量的振動(dòng)方向在它的主平面內(nèi)。本實(shí)驗(yàn)用來(lái)獲得偏振光的儀器叫做格蘭棱鏡。格蘭棱鏡是由兩面三塊方解石棱鏡構(gòu)成的，二棱鏡間的空氣隙，方解石的光軸平行于棱鏡的棱。自然光垂直于界面射入棱鏡后分為o光和e光，o光在空氣隙上全反射，只有e光透過(guò)棱鏡射出馬呂斯定律：馬呂斯在1809年發(fā)現(xiàn)，完全線偏振光通過(guò)檢偏器后的光強(qiáng)可表示為I1 = I0 cos2，其中的a是檢偏器的

7、偏振方向和入射線偏振光的光矢量振動(dòng)方向的夾角：2.實(shí)驗(yàn)儀器：半導(dǎo)體激光器，起偏器，檢偏器，1/4波片，光電探測(cè)器，光電探測(cè)器臺(tái)，光電流放大器，光屏，光具座。3.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：根據(jù)馬呂斯定律測(cè)定光電池的線性響應(yīng):P1：起偏器，方位不變 P2：檢偏器，改變其方位以得到不同強(qiáng)度的偏振光，用來(lái)測(cè)定硅光電池的線性響應(yīng) B：分束板，使激光器的光束部分投射(I0)，部分反射(I1) D1：光源光強(qiáng)監(jiān)視器，包括硅光電池及光電流檢測(cè)裝置，用以I0的變化。 D2：當(dāng)P2方位變化時(shí)，偏振光強(qiáng)I2依照馬呂斯定律改變，I2的變化將由D2測(cè)定。測(cè)量數(shù)據(jù):I1I2I1 ，I2 ：D1，D2的光電流讀數(shù), 為起偏器P1后平面偏振

8、光方位與檢偏器P2后平面偏振光方位的夾角。 ：P2盤(pán)讀數(shù) 根據(jù)測(cè)量結(jié)果，繪出與關(guān)系曲線，是否呈線性關(guān)系。根據(jù)布儒斯特定律測(cè)定介質(zhì)的折射率: 利用布儒斯特定律時(shí)，只能在入射光為P分量(電矢量平行入射面)時(shí)，才能得到反射率為零的布儒斯特角。故實(shí)驗(yàn)分為兩步進(jìn)行： A. 確定起偏器的方位，在此方位使入射到樣品表面的入射光(即起偏后的偏振光)的偏振方向恰好為P分量。實(shí)驗(yàn)方法如下：1 P1在某一方位時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)樣品面使反射光的反射角在50o60o之間，移動(dòng)光屏使得反射光點(diǎn)落于其上，仔細(xì)觀察光屏上反射光的強(qiáng)弱變化。選定出射光點(diǎn)最暗的某一位置做下一步調(diào)整。 2然后旋轉(zhuǎn)P1的角度，觀察光屏上反射光點(diǎn)的亮暗變化。找到

9、一個(gè)光點(diǎn)最暗的P1方位角。 3再依次重復(fù)1，2的步驟，知道反射光強(qiáng)近于零。此時(shí)P1的方位角恰好使出射平面偏振光與入射平面相重合，即為P分量。 B. 根據(jù)布儒斯特定律確定介質(zhì)材料的折射率。 1 實(shí)驗(yàn)光路圖如上所示，P1應(yīng)在P分量的起偏方位上。 2調(diào)整樣品的方位，使樣品反射面中央部分恰好位于樣品臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心上。當(dāng)0 時(shí)，反射光應(yīng)沿著入射光防線返回，不得偏離。 3旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)，改變I0的入射角：同時(shí)旋轉(zhuǎn)動(dòng)臂由光電它測(cè)器D2測(cè)量反射光Ir的強(qiáng)度。反射角每改變5o10 o，讀一次Ir，同時(shí)記下Ir的數(shù)據(jù)，知道入射角改變到80 o為止。在反射最弱的布儒斯特角附近多測(cè)幾組數(shù)據(jù)。設(shè)P分的反射率為Rp，則在 角時(shí)

10、P分量的反射率為：在起偏器和檢偏器中間放入1/4波片，轉(zhuǎn)動(dòng)P2時(shí)，i2()曲線呈橢圓形，即出射光為橢圓偏振光，當(dāng)1/4波片光軸與入射偏振平面夾角為45o時(shí)，出射光為圓偏振光，i2() 曲線是圓形。實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)、難點(diǎn)：1. 理解偏振光的物理本質(zhì)，學(xué)會(huì)幾種偏振光的鑒別。2. 光電探頭的電流溢出問(wèn)題。 4.實(shí)驗(yàn)步驟：1.如圖所示連接各實(shí)驗(yàn)原件從左到右依次為 光電探測(cè)器，偏振片，光電探測(cè)器 偏振片 激光器。光電流放大器（下）2.打開(kāi)激光器 ，調(diào)節(jié)光電放大器的零點(diǎn)，由右側(cè)表盤(pán)讀數(shù)：I0=27.6A3.移除右側(cè)光電探測(cè)器，如圖：4.移動(dòng)偏振片角度，分別為20，40，60，80時(shí)讀數(shù)如圖：并填表：2040608020406080I126.726.726.726.7I224.916.47.00.8整理：COS()20.8830.5870.250.03I126.726.726.726.7I224