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文檔簡介
偏振測量實驗實驗者:楊億斌(06325107)合作者:吳聰(06325096)(中山大學物理系,光信息科學與技術06級3班B19)2009年5月19日一、實驗目的了解和掌握光在各向異性介質(zhì)中的傳輸和偏振光的基本概念。驗證馬呂斯定律。掌握偏振片、半波片、1/4波片的特性和作用,并通過實驗驗證。二、實驗用具He-Ne激光器、偏振器(格蘭泰勒棱鏡)2塊、半波片(632.8nm,石英晶體)1片、1/4波片(632.8nm,石英晶體)1片、光具座1套、電動旋轉(zhuǎn)架3套、光電探測器1套、計算機操作軟件等。三、實驗原理偏振光的產(chǎn)生光是電磁波,可用兩個相互垂直的振動矢量---電矢量E和磁矢量H表征。習慣上稱E矢量為光矢量,代表光振動。若光振動局限在垂直于傳播方向的平面內(nèi),就形成平面偏振光,因其電矢量末端的軌跡成一直線,通稱線偏振光;若只是有較多的電矢量取向于某固定方向,稱作部分偏振光。如果一種偏振光的電矢量隨時間作有規(guī)律的變動,它的末端在垂直于傳播方向的平面內(nèi)的軌跡呈橢圓或圓形,這種偏振光就是橢圓偏振光或圓偏振光。布儒斯特角當光從折射率為n1的介質(zhì)入射到折射率為n2的介質(zhì)分界面,例如由空氣入射到玻璃,且入射角滿足0=arctan(n/n)(1)時,反射光為完全偏振光,振動面垂直于入射面。這是由于根據(jù)反射定律和折射定律由(1)式可得此時反射角和入射角之和為90°,再由菲涅耳公式可知此時反射光的平行分量為0,只有垂直分量。0b稱為布儒斯特角,(1)式即為布儒斯特定律。無射此反射光圖13.馬呂斯定律如果光源中任一波列(用振動平面E表示)投射在起偏器P上,只有相當于它的成分之一的Ey(平行于光軸方向的矢量)能夠通過,另一成分E=Ecos0則被吸收。與此類似,若投射在檢偏劇上的線偏振光X的振幅為E0,則透過A的振幅為E0cos9,這里6是P與A偏振方向之間的夾角。由于光強與振幅的平方成正比,透射光強I隨9而變化的關系為I=Icos29(2)這就是馬呂斯定律。4.格蘭--泰特棱鏡格蘭一泰勒棱鏡是一種用冰洲石做成的偏振棱鏡,是將一塊棱鏡切割成兩塊,形成空氣隙再組合起來(如圖2)。它能使非常光通過,尋常光在切割面發(fā)生全內(nèi)反射,偏向一旁。常規(guī)的偏振棱鏡分成格蘭型和尼科耳型,格蘭—泰勒棱鏡的光軸在入射端面(圖2用雙箭頭表示),且主截面垂直于切割面。在棱鏡保護套的側面開一個小孔,以便o光旁路出去。圖25.波片若使線偏振光垂直入射一透射面平行于光軸,厚度為d的晶片,如圖2,入射光將因晶片的各向異性而分裂成遵從折射定律的尋常光(o光)和不遵守折射定律的非常光(e光)。圖3因o光和e光在晶體中這兩個相互垂直的振動方向有不同的光速,分別稱作快軸和慢軸。設入射光振幅為A,振動方向與光軸夾角為9,入射晶面后o光和e光振幅分別為Asin9和Acos6,出射后相位差2兀,中=入(七一n)d(3)0式中人是光在真空中的速度,n和n分別是o光和e光的折射率。o這種能使振動方向相互垂直的平面偏振光產(chǎn)生一定相位差的晶片就稱為波片。6.橢圓偏振光和圓偏振光以平行于波片光軸方向為x軸,垂直于光軸方向為y軸,圖2所示出射的o光和e光用簡諧振動方程式表示為x=Asinwty=Asin(wt+甲)(4)上兩式的合振動方程式為
x2y22xy.———-———cos@=sin2q(5)A2A2AA(5)式一般情況下是橢圓方程,代表橢圓偏振光。當Q=2k冗(k=1、2、3……)或Q=(2k+1)兀(k=0、1、2……)時,合振動變成振動方向不同的線偏振光。對于后一種情況,晶片厚度可表示為d_2k+1匕n—n2可使o光和e光產(chǎn)生(2k+1)人/2的光程差,這樣的晶片稱為半波片。兀當Q_(2k+1)3(k=0、1、2)時,合振動方程化為正橢圓方程:TOC\o"1-5"\h\zX2y2(6)——^―_1A2A2eo,2k+1人…這時晶片厚度d_-,稱為1/4波片。它能使線偏振光變成橢圓偏振光。但是當入射光振動方向與n—n4光軸夾角為45°時,氣=A。,得到圓偏振光,合振動方程為:(6)(7)四、實驗裝置實驗系統(tǒng)示意圖如圖3所示He-Ne激光器光電探測器計算機偏振光實驗系統(tǒng)電源(電控箱)起偏器波片檢偏器測量信號輸入He-Ne激光器光電探測器計算機偏振光實驗系統(tǒng)電源(電控箱)起偏器波片檢偏器測量信號輸入圖4實驗系統(tǒng)方框示意圖個別元件增減隨實驗內(nèi)容而定。五、實驗內(nèi)容、過程及數(shù)據(jù)處理分析1、調(diào)整光路及驗證布儒斯特角(1)調(diào)節(jié)激光光束平行于光具座導軌,將光電檢測器放上導軌,調(diào)節(jié)使光束通過光電檢測器的中心。
(2)接好線路后,接通電源,啟動電腦。打開測量軟件,看顯示曲線,觀察得曲線適中,沒有出現(xiàn)飽和失真。(3)放上起偏器,調(diào)整棱鏡光軸位置,使o光透射。(4)一開始選一號電機采集數(shù)據(jù),得到正弦曲線不理想,改用三號電機采集,即換用檢偏器采集,得到較理想的正弦曲線。如圖1:由圖可知,對于線偏振光,在旋轉(zhuǎn)一周的過程中將出現(xiàn)兩次透射光為零的角度,這兩個角度正好對應于入射光偏振方向與偏振片方向相垂直的情況。2、驗證馬呂斯定律(1)在起偏器和光電檢測器之間放上檢偏器,適當調(diào)節(jié),使線偏振光入射檢偏器中心。利用“角度檢索”工具使起偏器轉(zhuǎn)動到該角度,則此時起偏器的透光方向與激光偏振方向相同。選擇三號電機,開始采集數(shù)據(jù)。(2)采集一個周期(即電機轉(zhuǎn)360°)后,得到的曲線如圖2。選擇“數(shù)據(jù)處理”菜單中的“馬呂斯定律”選項,將得到驗證馬呂斯定律的曲線,如圖3。0.55420.54320.51430.45380.37400.27710.18140.0.55420.54320.51430.45380.37400.27710.18140.09630.03440.0036關閉-5005010015020025030035040口角度馬呂斯定律圖2馬呂斯定律曲線序號角度數(shù)值85.5095.50105.50115.50125.50135.50145.50155.50165.50175.50圖3馬呂斯定律驗證由圖2可知,起點光強為零,即檢偏器和起偏器的初始夾角為90°,故檢偏器轉(zhuǎn)過的角度不等于馬呂斯定律中(公式(2)中)的0。用0'表示檢偏器轉(zhuǎn)過的角度,則cos20=sin29'。圖3左邊方框中的曲線是以cos29'為橫坐標,相對光強為縱坐標的。由圖上可知,相對光強與cos29呈線性關系。右圖中右邊部分列出了曲線上的十個紅色圓點對應的轉(zhuǎn)角和相對光強值。3、驗證半波片的作用(1)在起偏器D和檢偏器A之間加入半波片H,并使其繞水平軸轉(zhuǎn)動3600,觀察發(fā)現(xiàn)共出現(xiàn)四次消光現(xiàn)象。(2)然后使起偏器的偏振面與檢偏器的光軸正交,加入半波片后,將它轉(zhuǎn)到消光位置,再分別轉(zhuǎn)動150,300,450,600,750和900,相應記錄每次將A逐次轉(zhuǎn)到消光位置所需轉(zhuǎn)動的角度,填入表1。半波片轉(zhuǎn)角/度153045607590檢偏器轉(zhuǎn)角/度29.6859.2490.02119.94150.16179.96擬合得圖4:圖4半波片轉(zhuǎn)角與檢偏器轉(zhuǎn)角的關系圖4半波片轉(zhuǎn)角與檢偏器轉(zhuǎn)角的關系瞿船豎密由圖可知,線偏振光通過半波片后,會使o光和e光產(chǎn)生丸的相位差,出射光仍為線偏振光。在半波片旋轉(zhuǎn)一周的過程中,當半波片的光軸方向與起偏器透光方向垂直時,會發(fā)生消光現(xiàn)象,這種情況會出現(xiàn)兩次;當由半波片出來的光的偏振方向與檢偏器的透光方向垂直時,也會發(fā)生消光現(xiàn)象,這種情況也會出現(xiàn)兩次。兩種情況綜合起來一共會出現(xiàn)四次消光現(xiàn)象。由表1可知,當半波片旋轉(zhuǎn)a角時,檢偏器要旋轉(zhuǎn)2a才能重新消光,這是由于當入射半波片的光的偏振面轉(zhuǎn)動角度a時,出射光的振動面會轉(zhuǎn)動2a,這也是由于線偏振光通過半波片后,會使o光和e光產(chǎn)生丸的相位差引起的。4、驗證1/4波片的作用先使線偏振光的偏振面P與檢偏器A的光軸正交(這時通過A的光強最?。?,然后在兩個偏振棱鏡之間加入1/4波片Q,并轉(zhuǎn)動Q,直到通過A的光強恢復到最小。從此位置每當Q轉(zhuǎn)動150,300,450,600,750和900時,都使A轉(zhuǎn)動3600,從顯示情況分析光波通過1/4波片后的偏振態(tài)。](1)1/4波片轉(zhuǎn)15°根據(jù)采集到的數(shù)據(jù),在極坐標下畫出光強的平方根與檢偏器的轉(zhuǎn)角的關系曲線,即、?亍?9曲線,如圖5:0.70.60.40.B0.7圖51/4波片轉(zhuǎn)15°后的極坐標圖0.20.2同理,采用同樣的方法,每次將1/4波片增加15度,得出對應的極坐標圖:圖61/4波片轉(zhuǎn)30°后的極坐標圖圖71/4波片轉(zhuǎn)45。后的極坐標圖圖81/4波片轉(zhuǎn)60°后的極坐標圖圖91/4波片轉(zhuǎn)75。后的極坐標圖圖101/4波片轉(zhuǎn)90°后的極坐標圖通過上述實驗,我們驗證了1/4波片可以使通過它的線偏光變成橢偏光、圓偏光,或者仍然是線偏光,可以通過控制波片光軸與起偏器的夾角來實現(xiàn)這幾種情況。偏振光經(jīng)1/4波片,o光與e光有固定相位延遲之差兀/2,其相遇點的合成光矢量的末端的軌跡呈橢圓形,稱為橢圓偏振光。波片光軸轉(zhuǎn)動不同角度(0V°V兀/2),得到不同的橢圓偏振態(tài).°=
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