偏振光的研究課題實驗

1、偏振光的研究(課題實驗)課前思考 1. 線偏振光的產(chǎn)生能夠產(chǎn)生線偏振光的方法有哪些？設(shè)計相應(yīng)的實驗方法，畫出光路圖，列出所需實驗器材。2. 馬呂斯定律何為馬呂斯定律？如何驗證馬呂斯定律？思考實驗中可能存在哪些干擾因素？如何減少其影響？ 3. 反射光與折射光的偏振特性自然光入射兩種介質(zhì)界面時，反射光與折射光各有何偏振特性？何為布儒斯特定律？如何測布儒斯特角？設(shè)計光路及操作步驟，思考如何通過反射光的偏振特性確定未知偏振方向偏振片的偏振化方向。4. 波片的性質(zhì)及應(yīng)用 何為波片？半波片和1/4波片各有何特性？波片對偏振光的作用有哪些？物質(zhì)的旋光特性 什么是旋光現(xiàn)象？旋光物質(zhì)有哪些？旋光特性有哪些實際應(yīng)

2、用？5. 半導(dǎo)體激光器的偏振特性 初步了解半導(dǎo)體激光器的工作原理，設(shè)計方案測量半導(dǎo)體激光器出射光的偏振度（光的偏振度： 在部分偏振光的總強度中，完全偏振光所占的成分叫做偏振度。 偏振度的數(shù)值愈接近1，光線的偏振化程度就越高。）6. 偏振光的干涉 偏振光的干涉現(xiàn)象是如何產(chǎn)生？偏振光的干涉有哪些實際應(yīng)用？課題任務(wù)1. 光的偏振特性 驗證馬呂斯定律利用現(xiàn)有儀器驗證馬呂斯定律，記錄角度變化與對應(yīng)功率值（測量范圍0° 360°，每10°間隔測量），做出角度與功率關(guān)系曲線，并將實驗值與理論值進行比較，計算其相對誤差，對結(jié)果加以分析和評價。注意：由于半導(dǎo)體激光具有偏振性，轉(zhuǎn)動起

3、偏器，觀察其后的接收白屏，在光強相對較大時進行實驗。建議光功率計探頭光闌置于6 ，盡量使光束全部進入探頭，并鎖緊所有螺釘。2.光的偏振特性 反射光的偏振特性通過觀察棱鏡材料表面反射光的偏振特性，加深對其理解，測量出布儒斯特角，并確定偏振片的偏振方向，計算棱鏡材料的折射率。采用半導(dǎo)體激光器、偏振片、1/4波片、白屏、布儒斯特轉(zhuǎn)角裝置及光功率計。各實驗器件放置應(yīng)易于操作、便于觀察，注意調(diào)節(jié)各光學(xué)器件等高同軸。利用起偏器和1/4波片產(chǎn)生圓偏振光，其后放置布儒斯特轉(zhuǎn)角裝置及轉(zhuǎn)接桿，在轉(zhuǎn)接桿上放置檢偏器及光探頭，使光探頭卡在桿上凹槽中，調(diào)節(jié)高度至激光射入探頭光闌中。在光學(xué)轉(zhuǎn)動平臺上放置好棱鏡，使光學(xué)表面

4、穿過轉(zhuǎn)動平臺中心。轉(zhuǎn)動平臺，使棱鏡表面垂直于入射光，記下此時轉(zhuǎn)動平臺的位置值。再次轉(zhuǎn)動平臺，利用轉(zhuǎn)接桿用白屏追蹤反射光斑，同時轉(zhuǎn)動檢偏器，仔細觀察反射光的偏振態(tài)，測量光強變化情況，了解入射角與偏振態(tài)的關(guān)系，找到反射光為線偏振光時的位置，記下此時轉(zhuǎn)動平臺的位置值，此時的入射角為布儒斯特角。2. 物質(zhì)的旋光特性將旋光晶體置于已消光的起偏器與檢偏器間，觀察旋光現(xiàn)象，測出旋光率（對于晶體而言，振動面旋轉(zhuǎn)的角度與晶片的厚度d成正比，即=d其中比例系數(shù)稱為該晶體的旋光率，它與入射光的波長有關(guān)）。3. 半導(dǎo)體激光器的偏振特性通過偏振片觀察半導(dǎo)體激光器的偏振特性，記錄其功率最大值和最小值，以及所對應(yīng)的角度，求

5、出半導(dǎo)體激光的偏振度。4. 波片的性質(zhì)及應(yīng)用a1/4波片的作用：將方向未知的1/4波片的光軸方向定位，并利用已定位的1/4波片對偏振光進行綜合觀察與鑒別，加深對其性質(zhì)及偏振光相關(guān)知識的理解。采用半導(dǎo)體激光器、偏振器、1/4波片，調(diào)節(jié)光學(xué)器件的同軸等高。將1/4波片置于已消光的起偏器與檢偏器間，轉(zhuǎn)動1/4波片一周觀察消光位置，確定1/4波片光軸方向，改變1/4波片的光軸方向與起偏器的偏振方向之間的夾角a（a分別取0°，15°，45°180°），每取一個a值，檢偏器轉(zhuǎn)動一周，觀察輸出光的光強變化并加以解釋，如下表完成所列任務(wù)。b1/2波片的作用：將方向未知的

6、半波片的光軸方向定位，并利用已定位的半波片對偏振光進行觀察，加深對其性質(zhì)的理解。實驗注意事項1 注意光路的同軸等高調(diào)節(jié)。本實驗中為了兼顧后續(xù)實驗對光源的高度要求，開始調(diào)節(jié)時將光源高度盡可能調(diào)高。2 注意光學(xué)器件的規(guī)范使用。使用光學(xué)元件應(yīng)輕拿輕放，切勿用手觸碰光學(xué)表面，使用完畢后應(yīng)及時放回元件盒內(nèi)對應(yīng)位置。3 使用激光光源時，切勿用眼睛直視激光！ 附錄1：激光功率計使用說明書OPT-1A型激光功率指示計是一種數(shù)字顯示的光功率測量儀器，采用硅光電池作為光傳感器，針對650nm波長的激光進行了標定，用于測量該波段的激光功率。如圖：1. 表頭 ：3位半數(shù)字表頭，用于顯示光強的大小。2. 量程選擇鈕：分

7、為200uW、2mW、20mW、200mW四個標定量程和可調(diào)檔；測量時盡量采用合適的量程，如測得光強為1.732mW，則采用2mW量程?？烧{(diào)檔顯示的是光強相對值。3. 調(diào)零：調(diào)零時應(yīng)遮斷光源，旋動調(diào)零旋鈕，使顯示值為零。4. 12檔光闌探頭：該光探頭在硅光電池前加上一多結(jié)構(gòu)光闌（圓孔直徑為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、6.0mm，縫寬0.2、0.3、0.4、0.8、1.2mm）?？捎糜诠獍叨ㄎ?，光強分布、光斑結(jié)構(gòu)測量等，使用者根據(jù)實際測量需要，采用相應(yīng)的檔位。使用方法：1. 連接好激光探頭和220v電源。打開后面板上的電源開關(guān)，數(shù)值表頭亮。2. 將激光探頭對準被測的激光束，使光束進入

8、測量孔。3. 根據(jù)光功率的大小選擇適當?shù)牧砍?。量程刻度上的值為該量程可測量的最大值，如200W是指該檔最大測量200W的激光功率，單位為微瓦，當光功率大于該檔最大指示值時，表頭溢出顯示“1”。4. 儀器量程分為200W、2mW、20mW、200mW和可調(diào)檔5個量程。當波段開關(guān)打到可調(diào)檔時，連接的電位器可改變表頭指示。該檔主要用于測量相對值，即測量兩束光的功率比值或光強分布等。5. 調(diào)零電位器用于調(diào)整儀器的零點。即在無光照時，應(yīng)將儀器指示值調(diào)為“0”。6. 指示計后面板提供了一個半導(dǎo)體激光電源插座，可為相應(yīng)的半導(dǎo)體激光器提供電源。 附錄2：光學(xué)實驗調(diào)節(jié)及儀器使用注意事項1. 注意光路的同軸等高調(diào)

9、節(jié)，保證整個光路的光軸沿導(dǎo)軌中軸且高度相同。a 調(diào)節(jié)激光輸出光束沿中軸并平行于導(dǎo)軌面射出，當小孔屏沿導(dǎo)軌移動時，觀察激光斑射在孔屏上的位置變化情況，通過調(diào)節(jié)激光器后相應(yīng)旋鈕，使激光斑能始終保持與小孔重合。b 調(diào)節(jié)所用光學(xué)元件的光學(xué)面中軸高度相等，觀察光束是否射到元件光學(xué)面中心，對光學(xué)元件及夾具進行多維度調(diào)節(jié)；c 調(diào)節(jié)光學(xué)元件共軸，依據(jù)光學(xué)原理，通過觀察各光學(xué)元件的反射或透射光點的位置，通過分析、判斷逐步加以調(diào)節(jié)。 2. 注意光學(xué)器件的規(guī)范使用。a. 使用光學(xué)元件應(yīng)輕拿輕放，使用完畢后應(yīng)及時放回元件盒內(nèi)對應(yīng)位置。b. 使用光學(xué)元件時，切勿用手觸碰光學(xué)表面。當光學(xué)表面不夠清潔等而影響實驗進行時，同

10、學(xué)切記不要自行處理，請及時報告老師，由老師或在老師的指導(dǎo)下規(guī)范的進行清潔工作，避免操作不當造成元件的人為損壞。c. 使用激光光源時，切勿用眼睛直視激光！避免灼傷眼睛！光的偏振1 光的橫波性 1809年馬呂斯在實驗上就發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象。但直到光的電磁理論建立后，光的橫波性才得以完滿的說明。在自由空間傳播的光波是一種純粹的橫波，光波中沿橫向振動著的物理量是電場矢量和磁場矢量，鑒于在光和物質(zhì)的相互作用過程中主要是光波中的電矢量起作用，所以人們常以電矢量作為光波中振動矢量的代表。2 偏振光 光的橫波性只表明電矢量與光的傳播方向垂直，在與傳播方向垂直的二維空間里電矢量還可能各式各樣的振動狀態(tài)，我們稱之

11、為光的偏振態(tài)。實際中最常見的光的偏振態(tài)大體可分為五種，即自然光、部分偏振光、線偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光。2.1自然光 普通光源發(fā)出的光是大量原子或分子獨立的隨機自發(fā)輻射的平均效果，各原子或分子發(fā)出的光波不僅初位相彼此無關(guān)聯(lián)，它們的振動方向也是雜亂無章的。因此宏觀看起來，入射光中包含了所有方向的橫振動，而平均說來它們對于光的傳播方向形成軸對稱分布，哪個橫方向也不比其它橫方向更為突出。具有這種特點的光叫做自然光。2.2部分偏振光 經(jīng)常遇到的光，除了自然光和線偏振光外，一種偏振狀態(tài)介于兩者之間的光。如果用檢偏器去檢驗這種光的時候，隨著檢偏器透光方向的轉(zhuǎn)動，透射光的強度既不象自然光那樣不變，又不象

12、線偏振光那樣每轉(zhuǎn)90o交替出現(xiàn)強度極大和消光，其強度每轉(zhuǎn)90o也交替出現(xiàn)極大和極小，但強度的極小不是0（即不消光）。具有這種特點的光，叫做部分偏振光。通常用偏振度P來衡量部分偏振光程度的大小，它定義為P=（I極大-I極?。? （I極大+I極小）這里分母I極大+I極小 實際是兩個相互垂直分量的強度之和，即部分偏振光。線偏振光是偏振度最大的光。2.3線偏振光透過偏振片的光線中只剩下了與其透光方向平行的振動。這種只包含單一振動方向光叫做線偏振光。線偏振光中振動方向與傳播方向構(gòu)成的平面，叫做偏振面。偏振片用來產(chǎn)生線偏振光，我們叫它起偏器。偏振片用來檢驗線偏振光，叫做檢偏器。I=I0Cos2 為偏振面夾

13、角線偏振光通過檢偏器后透射光強度隨角變化的規(guī)律，叫做馬呂斯定律。 2.4圓偏振光 如果一束光的電矢量在波面內(nèi)運動的特點是其瞬時值的大小不變，方向以角速度（即波的圓頻率）勻速旋轉(zhuǎn)，換句話說，電矢量的端點描繪的軌道為一圓，這種光叫做圓偏振光。垂直振動的合成理論告訴我們，兩個相互垂直的簡諧振動，當它們的振幅相等，位相差±/2時，其合成運動是一個旋轉(zhuǎn)矢量，所以圓偏振光可看成是兩個相互垂直的線偏振光的合成，而分量應(yīng)寫成Ex = AcostEy = Acos(t±/2) 如果迎著圓偏振光的傳播方向放一偏振片，并旋轉(zhuǎn)其透光方向以觀察透射光強的變化，我們會發(fā)現(xiàn)光強不發(fā)生變化。2.5橢圓偏振

14、光 電矢量的端點在波面內(nèi)描繪的軌跡為一橢圓的光，稱為橢圓偏振光。橢圓運動也可看成是兩個相互垂直的簡諧振動的合成，只是它們的振幅不等，或位相差不等于±/2。而分量可寫成 Ex = Acost Ey = Acos(t±) 為位相差 如果迎著橢圓偏振光的傳播方向放一偏振片，并旋轉(zhuǎn)其透光方向以觀察透射光強的變化，我們會發(fā)現(xiàn)其光強變化特點類似部分偏振光，即強度每轉(zhuǎn)90o也交替出現(xiàn)極大和極小，但無消光位置。3 反射、折射光的偏振特性自然光入射到折射率兩種介質(zhì)的界面上時，反射光和折射光都是部分偏振光。特別是當以布儒斯特角入射時，反射光為線偏振光，其振動面垂直于入射面。因此，可以利用自然光

15、以布儒斯特角入射到電介質(zhì)表面（如玻璃等）產(chǎn)生線偏振光，可以利用平行玻璃片堆同時獲得反射和透射的線偏振光。入射光在空氣與介質(zhì)界面的反射、折射光路圖示如下：根據(jù)麥克斯韋的電磁理論和邊值條件，我們可以推導(dǎo)如下關(guān)系：EP = tan(I1-I2) EP/tan(I1+I2)ES = sin(I1-I2)ES/sin(I1+I2)其中 EP為偏振面平行于入射面的反射光電矢量，EP為偏振面平行于入射面的入射光電矢量，ES為偏振面垂直于入射面的反射光電矢量，E S為偏振面垂直于入射面的入射光電矢量。分析上式我們發(fā)現(xiàn)，由于tan90o =，EP可能為0，即在I1+I2=90 o時，反射光中可能不含平行分量，不

16、管入射光是什么狀態(tài)，反射光都是線偏振光。由折射定律： sin I1 = n sin I2 和I1+I2=90 o得到tan I1= n 時，反射光是線偏振光。這就是布儒斯特定律，此時的入射角I1我們稱為布儒斯特角，它的大小由材料的折射率決定。4 雙折射及波片具有雙折射現(xiàn)象的材料有這樣一種光學(xué)特性：及當一束光進入這種材料時可能會分成兩束，這兩束光的傳播方向、振動方向和速度將有所不同，一束符合我們所知道的折射定律，如垂直入射時光束方向不變，但另一束卻不符合這個規(guī)律。我們分別將這兩束光稱為O光和E光，對應(yīng)的折射率分別為no和ne。在這種晶體中還存在一個特定的方向，當光從這個方向上進入材料時不會分成兩

17、束，符合一般的折射定律，這個特殊的方向就是材料的光軸方向。波片是一種將具有雙折射現(xiàn)象的材料（如方解石晶體，石英晶體等）按一定技術(shù)要求加工而成的光學(xué)元件。波片在加工時，使通光表面平行于光軸，即入射光將垂直于光軸進入波片?，F(xiàn)在假設(shè)一束線偏振光以偏振方向同波片光軸成角的狀態(tài)垂直入射于波片。這時會發(fā)生一種比較特殊的雙折射現(xiàn)象，即O光和E光傳播方向相同，但傳播速度不同，或者說o光和e光在波片中的折射率不同，透過波片之后兩者之間產(chǎn)生一定的位相差。波片產(chǎn)生的位相差和光程差分別為 =2(none) d /， =(none)d，d為波片的厚度，no、ne分別為波片對o光和e光的折射率。對于某一波長，選擇不同的厚

18、度可得到不同的波片：=±(2k+1) /2時， 為/ 2波片，=±(2k+1) /4時， 為/ 4波片，=±k (k0)時， 為全波片。5 偏振光的產(chǎn)生和檢驗5.1 偏振光的獲得自然界的大多數(shù)光源所發(fā)出的是自然光。為了從自然光得到各種偏振光，需要采用偏振器件。偏振片、玻片堆和尼科耳棱鏡等都可以用作起偏器，自然光通過這些起偏器后就變成了線偏振光。偏振片常用具二向色性的晶體制成，這些晶體對不同方向的電磁振動具有選擇吸收的性質(zhì)，當光線射在晶體的表面上時，振動的電矢量與光軸平行時吸收得較少，光可以較多地通過；電矢量與光軸垂直時被吸收得較多，光通過得很少。通常的偏振片是在拉

19、伸了的塞璐璐基片上蒸鍍一層硫酸碘奎寧的晶粒，基片的應(yīng)力可以使晶粒的光軸定向排列起來，這樣可得到面積很大的偏振片。為了得到橢圓偏振光，使自然光通過一個起偏器和一個波片即可。由起偏器出射偏振光正入射到波片中去時，只要其振動方向不與波片的光軸平行或垂直，就會分解成0光和e光，穿過波片時在它們之間就有一定的附加相位差。射出波片之后，傳播方向相同的這兩束光的速度恢復(fù)到一樣，它們在一起一般是合成橢圓偏振光。只有當這兩面束光之間的相位差等于±/2，且振幅相同時，才有可能得到圓偏振光。 換言之，令一束線偏振光垂直通過一波片，一般我們得到一束橢圓偏振光；只有通過1/4波片，且波片的光軸與入射光的振動面

20、成對45°角時，我們才能得到一束圓偏振光。5.2偏振光的檢驗 假定入射光有以下五種可能性，即自然光，部分偏光，線偏振光，圓偏振光和橢圓偏振光。檢驗偏振光的方法是:第一步，利用一塊偏振片或其它檢偏器，在旋轉(zhuǎn)一周時透過檢偏器的光強不變，則可以斷定入射光是自然光或圓偏振光；否則就是部分偏振光或橢圓偏振光。第二步, 為了鑒別自然光和圓偏振光?？梢粤钊肷涔庖来瓮ㄟ^1/4波片和偏振片，圓偏振光經(jīng)波片后變成了線偏振光，于是通過轉(zhuǎn)動偏振片有無消光現(xiàn)象而鑒別出來。為了鑒別部分偏振光的和橢圓偏振光，則必須設(shè)法讓1/4波片的光軸與橢圓主軸平行，只有這樣才能使橢圓偏振光經(jīng)過波片后變成為線偏振光而將它鑒別出來

21、。6 偏振光的干涉6.1 偏振光的干涉現(xiàn)象 線偏振光垂直通過波片時，按其振動方向（或振動面）分解成o光和e光，它們具有相同的振動頻率，以恒定的相位差在同一方向上傳播。只要設(shè)法將它們的振動方向引到同一方向上來，就能滿足相干條件，從而實現(xiàn)偏振光的干涉，與分波前干涉和分振幅干涉相比，它是分振動面干涉，波片是分振動面元件。將波片置于兩偏振片間，可以觀察到以下各種干涉現(xiàn)象：1. 當波片厚度均勻，用單色光源時，轉(zhuǎn)動任一元件，屏上的光強會發(fā)生變化。用白光源時屏上出現(xiàn)彩色圖樣，并隨元件轉(zhuǎn)動顏色發(fā)生變化。2. 當波片不均勻，用單色光源時屏上出現(xiàn)干涉圖樣；用白色光源屏上出現(xiàn)彩色圖樣。3. 當波片用透明塑料代替時，

22、對塑料加應(yīng)力后屏上會出現(xiàn)隨應(yīng)力大小變化的明暗或彩色干涉圖樣。6.2 光彈效應(yīng)和電光效應(yīng)1. 光彈效應(yīng) 在內(nèi)應(yīng)力或外來的機械應(yīng)力作用下，可以使透明的各向同性的介質(zhì)（例如玻璃和塑料等）變?yōu)楦飨虍愋缘?，從而使光產(chǎn)生雙折射，這種現(xiàn)象稱為光彈效應(yīng)。在這種應(yīng)力作用下的透明介質(zhì)中，（no-ne）與應(yīng)力的分布有關(guān)。因此，如果這種透明介質(zhì)做成片狀，插在兩偏振片之間，不同地點因（no-ne）不同會引起o光和e間不同的相位差，屏幕上將呈現(xiàn)出反映這種差別的干涉圖樣。應(yīng)力越集中地方，各向異性越強，干涉條紋越細密。在白光照射下，則顯示出彩色的干涉圖樣。2. 電光效應(yīng)在外加電場的作用下，也可以使用某些各向同性的透明介質(zhì)變?yōu)?/p>

23、各向異性的，從而使光產(chǎn)生雙折射，這種現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。 一種電光效應(yīng)稱為克爾效應(yīng)，是克爾（J.Kerr,1824-1970）在1875年發(fā)現(xiàn)的。在外加強電場的作用下，介質(zhì)分子作定向排列而呈現(xiàn)出各向異性，其光學(xué)性質(zhì)與單軸晶體類似；外電場一旦撤除，這種各向異性立即消失。1893年，泡克耳斯（Pockels,1865-1913）對某些晶體在電場作用下產(chǎn)生的線性電光效應(yīng)，進行了廣泛的研究。現(xiàn)在，人們常把這種電光效應(yīng)稱為泡克耳斯效應(yīng)。在具有這種效應(yīng)的晶體中，最典型的是磷酸二氫鉀（KH2PO4）晶體，簡稱KDP晶體。這種晶體在自由狀態(tài)下是單軸晶體，但在電場作用下變成了雙軸晶體，沿原來光軸的方向產(chǎn)生附加的雙折射效應(yīng)。由于克爾盒中的硝基苯液體有毒，且攜帶不便，對它的純度要求又很高，因此近年來克爾盒已逐漸為KDP晶體所代替。特別是激光的出現(xiàn)，大大促進了電光晶體的研制。在近代光學(xué)技術(shù)中常用的電光晶體，除KDP晶體外，還有砷化鎵（GaAs）和鈮酸（LiNbO3）晶體等等。此外，砷化鎵還是集成光學(xué)中重要的材料。集成光學(xué)是采用薄膜結(jié)構(gòu)來傳導(dǎo)、調(diào)制和偏轉(zhuǎn)光波，以及進行光信息處理或產(chǎn)生光振蕩的。7 旋光現(xiàn)象7.1 晶體和溶液的旋光性 在普通的單軸晶體（如方解