清華大學(xué)偏振光學(xué)實驗完整實驗報告

1、工物53李哲201501178316號1實驗?zāi)康模?1) 理解偏振光的基本概念，在概念以及原理上了解線偏振光，圓偏振光以及橢圓偏振光，并了解偏振光的起偏與檢偏方法。以及線偏振光具有的一些性質(zhì)。(2) 學(xué)習(xí)偏振片與玻片的工作原理。2. 實驗原理：(1) 光波偏振態(tài)的描述：單色偏振光可以分解成兩個偏振方向垂直的線偏振光的疊加：E二acosot與氣=cosQdf+8)(其中5是兩個偏振方向分量的相位延X1Y1遲，a,a為兩個光的振幅)，由其中的a,a,8就可以確定這個線偏振光的性質(zhì)。12128=?；?=0就為線偏振光，a】,8為圓偏振光(就是光矢量的頂點繞其中點做圓周運動，依然是偏振光)，而一般情況

2、下是橢圓偏振光。上述式子通常描述的是橢圓偏振光，而本實驗通過測量橢圓的長軸方位角屮以及橢圓的短半軸與長半軸的比值對于橢圓偏振光進(jìn)行描述。其計算式是：arctanGan20-cos8)b2_2a21+Jl-(sin8-sin2p而對于實驗中的橢圓偏振光而言，其光強在短軸對應(yīng)的方向最小，在長軸的對應(yīng)方向最大，所以可以通過使這個橢圓偏振光通過一個偏振片，并調(diào)整偏振片的透射軸方位，測量其最大最小值，就可以知道其長軸短軸的比值。又由于光強與振幅的平方成正比，所以測得的光強的比值是長軸短軸之比的平方。(2) 偏振片： 理想偏振片：只有電矢量振動方向與透射軸平行方向的光波分量才能通過偏振片。實驗中的偏振片不

3、是理想化的，并不能達(dá)到上述的效果，當(dāng)入射光波的振動方向與透射軸平行時，其透射率不能達(dá)到1，當(dāng)垂直于透射軸時，其透射率不是0。所以對于偏振片有主透射率以及消光比兩個量進(jìn)行描述。主透射率T,T指沿透射軸或消光軸方向振動光的光強透射率。兩者的比值12是消光比e。 對于起偏器而言，其并不是理想的偏振片，但是其消光比是在10-4-10-5的量級，所以透過起偏器的光依然可以視為線偏振光。 計算消光比需要用到馬呂斯定律：4_°1T)cos20+TU122而完全非偏振光經(jīng)過兩個透射軸成0角且主透射率相同的偏振器后，總透射率：T二T2+T2>Cos20+TTsin20021212實驗中只需要測定

4、兩個偏振片透射軸相互垂直以及平行時的總透射率的比值（此時光強的值為最小值和最大值）I2TT12就可以得到消光比：嚴(yán)=（T2+T2）=卷2emax12（因為光強是保持不變的，所以總光強當(dāng)做分母消掉了，就會有上式，也說明實驗中提前預(yù)熱對于實驗的準(zhǔn)確性非常重要）。（3）延遲器以及玻片： 延遲器：材料是線性雙折射材料，具有兩個相互垂直的特定方向，慢軸以及快軸。當(dāng)光波在延遲器中傳播的時候，振動方向沿著這兩個軸的偏振分量由于線性雙折射材料的性質(zhì)，所以會有不同的折射率，因此振動方向相互垂直的這兩個分量的光具有不同，當(dāng)通過一定厚度的這樣的延遲器時，會產(chǎn)生一定的光程差：*L=,因此兩個軸的分量將會產(chǎn)生相位延遲S

5、廠。So'n其計算值：Sr=sc0振動方向平行于快軸或者慢軸方向的偏振光經(jīng)過延遲器后，其振動狀態(tài)不變。利用這個原理可以定出延遲器的快軸或者慢軸的方向。將延遲器放在兩個正交的偏振器之間，旋轉(zhuǎn)延遲器，消光，則可以知道延遲器的一個軸平行于偏振片的一個軸。 其延遲相位的測量方法：入射一束方位角為0的線偏振光，經(jīng)過玻片后，可以通過測得光強極值（通過硅光片通過光電效應(yīng)，產(chǎn)生的與光強成正比的光電流的測量）的比值'min/1max，得：sinSr2"./minmaxsin（2卩丿1+1I）min*max0=兀而且應(yīng)注意：當(dāng)H4時，由于cosSr沁0，測量橢圓的長短軸之比會有兀較大的誤

6、差。因此測量讓入射光的偏振方向與玻片的軸成一個稍小于7的角度。（4）反射和折射的起偏現(xiàn)象（布儒斯特角）：將入射的電矢量分解成平行以及垂直于入射面的兩個分量，其光強反射率具有以下公式：tan-0）tan+0）it2sin-0)sin+&)it由上式可以知，當(dāng)&i二arctann=&B時，沒有平行于入射面的反射光?？梢岳眠@個原理判定布儒斯特角，當(dāng)利用起偏器使入射光只有振動平行于入射面的偏振光，并且此時入射角滿足布儒斯特定律，就不會產(chǎn)生反射光，可以通過檢驗反射光的消失，判定布儒斯特角的大小。實驗中可以通過這個定理判定偏振器透射軸的方向，當(dāng)已經(jīng)得到布儒斯特角的時候，固定小平臺

7、，使棱鏡不發(fā)生轉(zhuǎn)動，然后可以調(diào)整P盤，使屏上光點最暗(或消失)，這個時候就可以知道此時偏振片透射軸的方向平行于入射面，然后記錄下此時P盤上的度盤方位度數(shù)。3. 實驗器材：(1) 半導(dǎo)體激光器：本實驗的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的是近似維線偏振光，光的偏振方向在橢圓形光斑的長軸方向。而且為了減小輸出光強的波動影響，實驗前要預(yù)先點燃激光器，5-10分鐘后開始實驗，并且在實驗的過程中不能夠關(guān)閉激光器，而且眼睛不能直視激光，防止眼底被灼傷。(2) 起偏器A與起偏器P：讀數(shù)窗口有三圈示數(shù)，中間是游標(biāo)。中央偏振片與外圈聯(lián)動，度數(shù)的精度是。(3) 有兩個I/4玻片C0，CX。Co為快軸大致方向已經(jīng)由白點標(biāo)出的玻片，C

8、X是未知快軸方向的玻片。(4) 硅光電池，數(shù)字電壓表和電阻箱：硅光電池與電阻相串聯(lián)，電阻箱與數(shù)字電壓表并聯(lián)。光照會導(dǎo)致硅光電池產(chǎn)生光電流，當(dāng)負(fù)載較小的時候，產(chǎn)生的光電流與光強成正比?？梢酝ㄟ^讀取數(shù)字電壓表的示數(shù)大致了解光電流的大小，光強的比值也與光電流的大小成正比，所以數(shù)字電壓表示數(shù)的比值可以反映之后測量的minmax的值。4.實驗步驟：(1) 打開激光器預(yù)熱5-10分鐘，保證在測量過程中，激光器產(chǎn)生激光的光強穩(wěn)定，并且調(diào)整好激光器偏振方向的方位(讓激光束橢圓斑的長軸方向逆時針與水平方向夾角為30-35°這樣可以使光經(jīng)過起偏器后光強不是很小，影響實驗的進(jìn)行)。(2) 調(diào)整起偏管以及檢

9、偏管的方位，使激光從光源出發(fā)通過起偏管與檢偏管中心。(3) 調(diào)節(jié)小平臺下部螺絲，使小平臺與分光計主軸基本垂直，保證放下反射試塊后，其試塊平面與分光計主軸平行。(4) 首先確定入射角是°°的時候其相應(yīng)的方位角。在平臺上放置棱鏡，將一紙片(紙片的面積要相對較大)上戳一個洞，在含起偏器P的橢圓盤的管口處，將紙片上的小洞對準(zhǔn)激光的斑點。此時可以在紙片上觀察到一個很小的亮點，以及激光打在紙片上的大亮斑。后旋轉(zhuǎn)圓盤的內(nèi)圈，使小亮點與大亮斑重合，記錄下此時的方位角然后取下紙片，將紙片遮擋在分光計的一側(cè)做一個i=0屏，后旋轉(zhuǎn)平臺（帶動棱鏡旋轉(zhuǎn)）約57。，然后通過不斷地微調(diào)入射角9.以及起偏

10、器的方位角，使屏上的光斑消失（因為這個時候入射光只有振動方向平行于入射面的分量，而這個時候該光的反射率為0，所以會產(chǎn)生消光的現(xiàn)象），記下此時的平臺方位角度數(shù)aB，然后通過差值6-a得到布儒斯特角（這BBBi二0樣通過差值的計算也可以減小實驗的誤差，并且能簡化實驗的步驟）。（5）定偏振器的透射軸方向：上述實驗之后，可以知道起偏器P的透射軸一定位于水平方位方向（有上述布儒斯特角產(chǎn)生的條件可以知道）。而后在原來的裝置基礎(chǔ)上來回轉(zhuǎn)動度盤，重復(fù)測量六次透射軸水平對應(yīng)的度盤的度數(shù)，并且取平均值作為透射軸水平時P盤的方位角。并將P盤放置在平均值位置，然后撤去棱鏡，打開光強探測器，轉(zhuǎn)動檢偏器A所在的度盤使所測

11、得光強為最小值，這個時候A盤與P盤的透光軸的方向相互垂直，記下A盤的度盤度數(shù)a：6）e測量消光比這個時候保留P盤不轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動A盤依次記錄下透射光強的極大值和極小值。然后利用：minmax2TT12='2+T2/122e1+e2沁2e式子計算出消光比。（7）測量透射光強與兩個偏振片夾角間的關(guān)系：9=0°,15。,30°,45°,60°,75。,80°,84°,87°,90°當(dāng)兩個偏振片間的夾角分別為：計算出此時A盤所應(yīng)該對應(yīng)的角度（注意要在A盤對應(yīng)的盤的角度上加上90度，因為兩者初始狀態(tài)透光軸是相互垂直的，所

12、以加上90度使兩者水平），然后旋轉(zhuǎn)A盤，到達(dá)相應(yīng)的角度，測量此時數(shù)字電壓表對應(yīng)的示數(shù)（反映了其光強的大?。?。然后做出曲線，探尋其規(guī)律。C（8）定波片的快軸方向：C在P盤的一端裝上°，然后使P盤與A盤調(diào)整到透光軸相互垂直的方向，然后CC旋轉(zhuǎn)0，觀察數(shù)字電壓表的示數(shù)，使其示數(shù)最小。這個時候就知道0的一個軸就已經(jīng)平行于P的透射軸方向。并且讀出此時快軸度盤的示數(shù)。（9）線偏振光經(jīng)過0.25玻片：此時是觀測線偏振光通過0.25玻片后偏振態(tài)的改變，使起偏器與慢軸的夾角為9=0°,22.5°,45°,67.5°,43°時，先計算出起偏器所對應(yīng)的P盤

13、應(yīng)具有的度數(shù)，然后旋轉(zhuǎn)其到其相應(yīng)的度數(shù)，旋轉(zhuǎn)A盤，測量數(shù)字式電壓表對應(yīng)的最大值以及最小值。通過這兩個值就可以計算出透射光所形成的橢圓偏振光的長軸方位角以及橢圓偏振光長短軸相應(yīng)的比值。C（10）定待測玻片的軸方向：此時將該待測玻片放在小平臺上，使光束垂直透過，定出其某一軸在豎直方向時的度盤示數(shù)。（11）觀測偏振光通過半玻片或者全玻片的現(xiàn)象：CC0CX使快軸方向與X某軸方向平行，而后扭動P盤的方位角，使入射的線偏振光角度發(fā)生改變，而后測量其消光的時候A盤的度數(shù)的改變值可以知道偏振光等效通過的是半玻片或者全玻片。如果是通過的是等效的全玻片，那么這個偏振光的振動方向不發(fā)生改變，那么產(chǎn)生消光現(xiàn)象的時候，

14、兩個偏振片是同步的進(jìn)行轉(zhuǎn)動的。而如果等效的經(jīng)過半波片，那么光的偏振方向會發(fā)生改變。而且，這兩個玻片的快軸相互平行的時候等效為一個半波片，當(dāng)慢軸與快軸平行的時候，等效為一個全玻片。注：通過全玻片偏振光的振動方向不發(fā)生改變，通過半波片該光依然是偏振光，只是偏振光的振動方向發(fā)生改變，這可以通過A盤的轉(zhuǎn)動角度的分析知道是哪一種情況。4. 實驗數(shù)據(jù)處理：（4）觀察布儒斯特角：光束正入射的時候平臺的方位角是：«=305。15、,125。15、i-0當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤，發(fā)生消光現(xiàn)象時，盤對應(yīng)的示數(shù)是«=2。5、,182。亍B所以可以得到對應(yīng)的布儒斯特角：9二56。50',56。50'

15、;所以由此可以算出棱鏡的折射率：n=tan9=tan56°50'«1.53B相對偏差：6.49x10-3(n-1.541.54-（5）定偏振器的透射軸方向：起偏器P的透射軸在水平方向上對應(yīng)的方位角是：239。+237.8。+237.7。+236.8。+238.2。+238.9。P=238.1°對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差：6x6(¥rP-P_S2二4il丿二0.5676(6) 測消光比：RG+1-21)1000(0.01mV+0.003mV-2x(-0.006mV)e=2-464=-=7.205X10-4R4-150004x8.675mV157）測量透射光強與兩

16、偏振器夾角間的關(guān)系：夾角015304560A盤角度266.12811296.1311.1326.1光強8.9118.3206.6424.3882.150I«ICos。+ICmaxmin8.3176.6864.45852.231I-I|/I(%)Cm'M0.0670.2500.5080.750夾角7580848790A盤角度341.1346.1350.1353.1356.1光強0.5470.2540.0780.0090.003I«ICos。+ICmaxmin0.5100.2720.0100.0270.003I-1l/I(%)CMbM0.9430.9690.99820.

17、99630.9999相對折射率隨角度的變化而改變的數(shù)據(jù):角度0153045607580848790相對透射率10.9340.7450.4920.2410.0610.0290.0090.0010相對折射率以及cos2a隨著a變化的圖像系列1系列2(上述兩條線完全重合了，所以只顯示了一條線)由上述圖像可以知道，兩組曲線完美的契合?？梢灾劳干渎蕽M足馬呂斯定律：T=(TT)cos29+T9122(8)定波片快軸在垂直方向時度盤的示數(shù)：C=159.2。014(9)線偏振光通過玻片：實驗數(shù)據(jù)表格：卩=pp0.022.545.067.543.0p=卩+p238.1260.6283.13056281.1ai

18、99.797.113.38.419¥=a+90一a1i166.4169252.8257.7247.1Imax6.0204.6373.1872.2843.153Imin0.2611.8311.5700.1001.843b2；a2uI/Imin'max0.0430.3950.4930.0440.5845r34.21070.13234.63075.298屮19.79345.000-19.72437.299sin5rJTTminmaxsin(2p)(+1I)min*max1¥=_arctan(tan2卩-cos5)2所以可以判斷當(dāng)入射的角度為43度，45度時，從其長軸的方位

19、角以及其長短軸的比值可以知道，這個時候產(chǎn)生的偏振光近似為圓偏振光。(10) 待測定波片的軸方向：當(dāng)一個軸在垂直方向上時，度盤的示數(shù)為：195°(11) 線偏振光通過半波片或全玻片：當(dāng)待測玻片的某軸在垂直方向，已知玻片的快軸在垂直方向：pp0°15°30°45°p238.1°253.1°268.1°283.1°ai176.3°204.2°217.5°230.5°a一a1i-0.2°-28.1°-41.4°-54.4°當(dāng)待測玻片的某軸在垂直方向，已知玻片的快軸在水平方向：pp10°15°30°45°p238.1°253.1°268.1°283.1°ai176.0°160.9°144.4°127.1°a一ai0.2°15.2°31.7°49.0°結(jié)論：由上述兩個表格可以知道，第一個表格，經(jīng)過玻片的偏振光的方向是與原偏振光的振動方向朝相反的方向變化，所以可