偏振光分析与研究实验

偏振光分析与研究实验摘要：光的偏振现象是光学中一种重要现象。是验证光是横波的重要依据。本实验采用SGP-1型偏振光实验系统。对光的偏振现象作出理论与实验的解释，是对光通过各波片之后的偏振态变化的分析，和通过计算采集偏振光的光强进行分析与处理，主要是了解光的偏振态的性质，了解波片的作用，验证马吕斯定律，半波片的作用和1/4波片的作用，同时加强对光路调节的练习。关键字：偏振光、偏振态、半波片、1/4波片、马吕斯定律、椭圆偏振光、圆偏振光。引言：光波是一种电磁波、因此，光波的传播方向就是电磁波的传播方向，所以光波的速度与电矢量E和磁矢量H相互垂直，而通常H的影响是较小的，在光波的影响中，同时是E的影响最大，所以通常把E称为光矢量，即光的偏振态也是由E来决定，所以光是一种横波，随着现代生活、发展得越来越快，人们对光的研究和认识也是越来越深。光的偏振性在人们的生活生产中越来越重要。为了使人们对光的偏振特性有一个很好的了解，本实验通过对偏振现象的理论分析，并从实验操作入手，通过观察光的偏振现象，在只有起偏器和检偏器和在起偏器与检偏器之间加入不同的波片，如：半波片、1/4波片时的偏振现象，并验证马吕斯定律，让人们加深对半波片与1/4波片的作用的了解。问题的提出：1、半波片和1/4波片的作用：2、光路的调节：3、观察光的偏振态、验证马吕斯定律4、掌握偏振光的产生于检测；二、实验原理：按照光的电磁理论，光波就是电磁波，电磁波是横波，所以光波也是横波。在大多数情况下，电磁辐射同物质相互作用时，起主要作用的是电场，因此常以电矢量作为光波的振动矢量。其振动方向相对于传播方向的一种空间取向称为偏振，光的这种偏振现象是横波的特征。根据偏振的概念，如果电矢量的振动只限于某一确定方向的图3-26自然光光，称为平面偏振光，亦称线偏振光；如果电矢量随时间作有规律的变化，其末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆（或圆），这样的光称为椭圆偏振光（或圆偏振光）；若电矢量的取向与大小都随时间作无规则变化，各方向的取向率相同，称为自然光，如图3-26所示；若电矢量在某一确定的方向上最强，且各向的电振动无固定相位关系，则称为偏振光。1、凡是电振动只限于某一确定方向和该方向的负方向的光称为线偏振光（亦称平面偏振光）。在垂直于光传播方向的任一确定平面内，光波电矢量端点随时间作椭圆运动的光称作椭圆偏振光；作圆运动的称作圆偏振光。以上三种统称完全偏振光，若在垂直于光传播方向的平面（简称迎光平面）内，电矢量的取向与大小都随时间作无规则变化，且各方向的取向几率相同，彼此之间没有固定的位相关系，则称为自然光。自然光和线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光三者的任一个组合起来，就成为部分偏振光。2．获得偏振光的方法（1）非金属镜面的反射，当自然光从空气照射在折射率为n的非金属镜面（如玻璃、水等）上，反射光与折射光都将成为部分偏振光。当入射角增大到某一特定值φ0时，镜面反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于射面，这时入射角φ称为布儒斯特角，也称起偏振角，由布儒斯特定律得：0tann（3-51）其中，n为折射率。（2）多层玻璃片的折射，当自然光以布儒斯特角入射到叠在一起的多层平行玻璃片上时，经过多次反射后透过的光就近似于线偏振光，其振动在入射面内。（3）晶体双折射产生的寻常光（o光）和非常光（e光），均为线偏振光。（4）用偏振片可以得到一定程度的线偏振光。3．偏振片、波片及其作用（1）偏振片偏振片是利用某些有机化合物晶体的二向色性，将其渗入透明塑料薄膜中，经定向拉制而成。它能吸收某一方向振动的光，而透过与此垂直方向振动的光，由于在应用时起的作用不同而叫法不同，用来产生偏振光的偏振片叫做起偏器，用来检验偏振光的偏振片叫做检偏器。按照马吕斯定律，强度为I0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为：20cosII（3-52）式中为入射偏振光的偏振方向与检偏器偏振化方向之间的夹角，显然当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度I发生周期性变化。当=0°时，透射光强最大；当=90°时，透射光强为极小值（消光状态）；当0°90°时，透射光强介于最大和最小之间。自然光通过起偏器后可变为线偏振光，线偏振光振动方向与起偏器的透光轴方向一致。因此，如果检偏器的透光轴与起偏器的透光轴平行，则在检偏器后面可看到一定光强，如果二者垂直时，则无光透过，如图3-27所示。其中（a）图为起偏器透光轴P1与检偏器透光轴P2平行的情况；（b）图为起偏器透光轴P1与检偏器透光轴P2垂直的情况。此时透射光强为零，此种现象称为消光。在实验中要经常利用“消光”现象来判断光的偏振状态。图3-27偏振光4、布儒斯特角当光从折射率为n1的介质（例如空气）入射到折射率为n2的介质（例如玻璃）交界面，而入射角又满足：Ɵ=tann2n1时，反射光即成完全偏振光，其振动面垂直于入射面。iB称布儒斯特角，上式即布儒斯特定律。显然，θB角的大小因相关物质折射率大小而异。若n1表示的是空气折射率，（数值近似等于1）上式可写成：Ɵ=tann25、马吕斯定律如果光源中的任一波列（用振动平面E表示）投射在起偏器P上（图3-2），只有相当于它的成份之一的Ey（平行于光轴方向的矢量）能够通过，另一成份Ex（=Ecosθ）则被吸收。与此类似，若投射在检偏器A上的线偏振光的振幅为E0，则透过A的振幅为E0cosθ（这里θ是P与A偏振化方向之间的夹角）。由于光强与振幅的平方成正比，可知透射光强I随θ而变化的关系为I=I0(cosƟ)2这就是马吕斯定律。6、波片波片也称相位延迟片，是由晶体制成的厚度均匀的薄片，其光轴与薄片表面平行，它能使晶片内的o光和e光通过晶片后产生附加相位差。根据薄片的厚度不同，可以分为1/2波长片，1/4波长片等，所用的1/2、1/4波长片皆是对钠光而言的。当线偏振光垂直射到厚度为L，表面平行于自身光轴的单轴晶片时，则寻常光（o光）和非常光（e光）沿同一方面前进，但传播的速度不同。这两种偏振光通过晶片后，它们的相位差φ为：oe2πnnL（3-53）其中，为入射偏振光在真空中的波长，no和ne分别为晶片对o光e光的折射率，L为晶片的厚度。7、椭圆偏振光和圆偏振光我们知道，两个互相垂直的，同频率且有固定相位差的简谐振动，可用下列方程表示（通过晶片后o光和e光的振动）：eosinsinXAtYAt从两式中消去t，经三角运算后得到全振动的方程式为：222222cossineoeoXYXYAAAA（3-54）由此式可知；①当=K（K=0，1.2.……）时，为线偏振光。②当π212K（K=0，1.2.……）时，为正椭圆偏振光。在Ao=Ae时，为圆偏振光。③当为其他值时，为椭圆偏振光。在某一波长的线偏振光垂直入射于晶片的情况下，能使o光和e光产生相位差=(2K+1)π（相当于光程差为/2的奇数倍）的晶片，称为对应于该单色光的二分之一波片（/2波片），与此相似，能使o光和e光产生相位π212K（相当于光程差为λ/4的奇数倍）的晶片，称为四分之一波片（/4波片）。本实验中所用波片（/4）是对6328A（He-Ne激光）而言的。如图3-28所示，当振幅为A的线偏振光垂直入射到/4波片上，振动方向与波片光轴成角时，由于o光和e光的振幅分别为Asin和Acos，所以通过/4波片后合成的偏振状态也随角度的变化而不同。①当=0°时，获得振动方向平行于光轴的线偏振光。②当=/2时，获得振动方向垂直于光轴的线偏振光。③当=/4时，Ae=Ao获得圆偏振光。④当为其他值时，经过/4波片后为椭圆偏振光。实验器材简介：1、He-Ne激光器（带布儒斯特窗）它的激光管是半外腔式的，组成共振腔的两个反射镜之一与放电分离，He-Ne气体的放电管的一端，按一定角度（布儒斯特角）用玻璃片密封。具体布儒斯特角大小与介质的折射率相关。而一般玻璃窗常采用K8光学玻璃制成，折射率n=1.516Ɵ=56o36′2、格兰-泰勒棱镜用冰洲石制成一块棱镜，再将冰洲石沿对角切成两半，使之形成空气缝隙，组合起来，它起到的作用是使非常光e光能通过棱镜，而寻常光o光在空气界面发生全反射，以此来获得偏振光。3、电动旋转架这个旋转架用来安装格兰—泰勒棱镜，也可以安装波片，在格兰-泰勒中，光轴在入射面内，我们可画出一条线，垂直于光轴，可在电动旋转架上的短线来配合读出角度。4、波片与支架仪器配合的波片有半波片和1/4波片，用石英来做成，分别装在铝制的圆框内，这两种波片只能与632.8nm波片的光源使用，圆框上的白色短线指示波片的光轴方向，圆盘上的每格3o.5、光电探测器这是一个半导体光电转换器件，可用来探测紫外线，可见光和红外线，响应范围200-1050nm，峰值波长650nm，由于光电探测器件对偏振态具有敏感性，即输入功率相同的偏振光，只因偏振光不同而获得不同的电信号输出，所以在探测入口处加装了一个退偏器，以减少偏振态对光电测量产生的影响。实验操作内容：1、将起偏器和检偏器放在光具座上，打开电脑，打开光具座的电源开关和激光器的电源，调节将激光器、激光接收器、起偏器与检偏器调成一条直线。具体做法是：首先：将激光器发出的光调进起偏器的中心，然后:用同样的方法将检偏器与激光器、起偏器调在一条直线。2、在电脑上选择好电机，然后点击“”，便得到光强强度变化的曲线，而因为马吕斯定律20cosII可知，光强的变化曲线是一条y轴上半轴的正弦曲线或余弦曲线，如得到的不是正余弦曲线，那么必然是光路的调节不标准，即不再同一条直线上，3、验证马吕斯定律，得到标准的正余弦曲线之后，点击停止，可用移动坐标来寻找值为零的角度，点击菜单栏上的“工作”找到“角度检索”,然后将刚才几下的数据输入其中，再然后将数据清空，重新来检测光强的变化，便得到一条标准的正弦曲线，便点击马吕斯定律，看看其上的点和所得的直线的重合程度，便得到了马吕斯定律。4、将半波片加入起偏器与检偏器之间，然后使其绕水平轴转动360o,观察屏幕上发生消光的次数，然后取下半波片，使起偏器和检偏器的光轴处于正交状态，即起偏器与检偏器处于消光状态，然后加入半波片，将半波片转到和起偏器、检偏器处于消光状态的时候，将半波片转到15o,然后不动半波片，使检偏器转动，记下检偏器达到消光位置的角度，同样的方法使半波片转到30o,45o,60o,75o,90o分别记录下每次检偏器转到消光位置时的角度，角度能在电脑上读出，然后依据数据分析半波片的作用，5、同样的方法，将1/4波片放在起偏器和检偏器之间，然后转动检偏器，使通过检偏器的光达到最小，从这个位置每当1/4波片转动15o，30o,45o,60o,75o,90o时，都将检偏器转动360o，从显示的情况分析1/4波片的作用。实验数据记录与处理：1、马吕斯定律：2、半波片的作用：表1.半波片分别调到不同角度时检偏器转到消光位置的角度半波片15o30o45o60o75o90o检偏器28.5o61.5o88.4o123.5o152.6o184.5o3、1/4波片的作用：实验总结：1、本实验验证了线偏振光的马吕斯定律，并且温习了调节光路水平的基本方式方法，还验证了椭圆偏振光的振幅、相位特性，基本达到了实验目的。2、由于器材和人为的原因，实验总会出现一定的偏差，但是基本还是正确的，如在马吕斯定律的时候，不能说所得的直线与图标中所有定的点没有完全的重合，但基本上还是在所给定的点的上下或擦边而过，所以，基本的实验结论和结果是基本符合的。讨论与分析（展望与拓展）自己的观点：本实验的实验原理并不难理解，最难理解的是实验的操作，特别是光路的调节，在光路的调节过程中，只要有一个方位，一个仪器有稍微一点的偏差，那么实验所得的数据和图像将不满足实验。那么下面有几个的方法可以改进实验的效率：1、该实验使用的激光器是He-Ne激光器，所发出来的光不是线偏振光，而在实验中，要用起偏器来滤光，而我们知道，多一个玻璃片，就会有光会发生折射、反射等等，我们最后