偏振光的研究(课题实验)

1偏振光的研究(课题实验)光的干涉和衍射现象说明了光的波动性，光的偏振现象则进一步证实光波是横波。光的偏振在光学计量、光弹技术、薄膜技术等领域有着重要的应用。课前思考1.线偏振光的产生能够产生线偏振光的方法有哪些？设计相应的实验方法，画出光路图，列出所需实验器材。2.马吕斯定律何为马吕斯定律？如何验证马吕斯定律？设计光路及操作步骤，列出所需实验器材，思考实验中可能存在哪些干扰因素？如何减少及避免其影响？3.反射光与折射光的偏振特性自然光入射两种介质界面时，反射光与折射光各有何偏振特性？何为布儒斯特定律？如何测定布儒斯特角？设计光路及操作步骤，列出所需实验器材，并思考如何通过反射光的偏振特性确定未知偏振方向偏振片的偏振化方向。4.波片的性质及应用何为波片？半波片和1/4波片各有何特性？波片对偏振光的作用有哪些？设计实验进行波片对偏振光作用的综合观察与鉴别，列出所需实验器材。5.物质的旋光特性什么是旋光现象？旋光物质有哪些？旋光特性有哪些实际应用？6.半导体激光器的偏振特性初步了解半导体激光器的工作原理，设计方案测量半导体激光器出射光的偏振度（光的偏振度：在部分偏振光的总强度中，完全偏振光所占的成分叫做偏振度。偏振度的数值愈接近1，光线的偏振化程度就越高。）7.偏振光的干涉偏振光的干涉现象是如何产生？偏振光的干涉有哪些实际应用？2实验要求课题任务1~2项为必做实验内容，其他课题任务为选做内容，请同学们根据课时内实验完成情况及兴趣择一项或多项选做内容进行研究。本实验是定性半定量的实验，实验重在观察、分析、归纳、总结。实验报告中请用简洁的语言说明原理、实验方案，画出必要的实验装置光路示意图，记录观察的现象并加以解释、分析总结。课题任务1.光的偏振特性—验证马吕斯定律利用现有仪器验证马吕斯定律，记录角度变化与对应功率值（测量范围0°—360°，每10°间隔测量），做出角度与功率关系曲线，并将实验值与理论值进行比较，计算其相对误差，对结果加以分析和评价。注意：由于半导体激光具有偏振性，转动起偏器，观察其后的接收白屏，在光强相对较大时进行实验。建议光功率计探头光阑置于φ6，尽量使光束全部进入探头，并锁紧所有螺钉。2.光的偏振特性—反射光的偏振特性通过观察棱镜材料表面反射光的偏振特性，加深对其理解，测量出布儒斯特角，并确定偏振片的偏振方向，计算棱镜材料的折射率。采用半导体激光器、偏振片、1/4波片、白屏、布儒斯特转角装置及光功率计。各实验器件放置应易于操作、便于观察，注意调节各光学器件等高同轴。利用起偏器和1/4波片产生圆偏振光，其后放置布儒斯特转角装置及转接杆，在转接杆上放置检偏器及光探头，使光探头卡在杆上凹槽中，调节高度至激光射入探头光阑中。在光学转动平台上放置好棱镜，使光学表面穿过转动平台中心。转动平台，使棱镜表面垂直于入射光，记下此时转动平台的位置值。再次转动平台，利用转接杆用白屏追踪反射光斑，同时转动检偏器，仔细观察反射光的偏振态，测量光强变化情况，了解入射角与偏振态的关系，找到反射光为线偏振光时的位置，记下此时转动平台的位置值，此时的入射角为布儒斯特角。33.物质的旋光特性将旋光晶体置于已消光的起偏器与检偏器间，观察旋光现象，测出旋光率（对于晶体而言，振动面旋转的角度ψ与晶片的厚度d成正比，即ψ=αd其中比例系数α称为该晶体的旋光率，它与入射光的波长有关）。4.半导体激光器的偏振特性通过偏振片观察半导体激光器的偏振特性，记录其功率最大值和最小值，以及所对应的角度，求出半导体激光的偏振度。5.波片的性质及应用a．1/4波片的作用：将方向未知的1/4波片的光轴方向定位，并利用已定位的1/4波片对偏振光进行综合观察与鉴别，加深对其性质及偏振光相关知识的理解。采用半导体激光器、偏振器、1/4波片，调节光学器件的同轴等高。将1/4波片置于已消光的起偏器与检偏器间，转动1/4波片一周观察消光位置，确定1/4波片光轴方向，改变1/4波片的光轴方向与起偏器的偏振方向之间的夹角a（a分别取0°，15°，45°……180°），每取一个a值，检偏器转动一周，观察输出光的光强变化并加以解释，如下表完成所列任务。表1偏振光的综合观察与鉴别a(°)检偏器转动一周，输出光的光强变化结论输出光强最暗时检偏器的方位0两明两零线偏光90°、270°15456590115135165180b．1/2波片的作用：将方向未知的半波片的光轴方向定位，并利用已定位的半波片对偏振光进行观察，加深对其性质的理解。实验室现已准备的设备及器件光具座、半导体激光器（波长650nm）、偏振片两只（偏振方向未定位）、1/2波片（光轴方向未定位）、1/4波片（光轴方向未定位）、三棱镜、石英旋光晶体（厚度d=3mm）、OPT-1A型激光功率计（含12档光阑探头）、光学转动平台及光学支架等。4实验注意事项1．注意光路的同轴等高调节。本实验中为了兼顾后续实验对光源的高度要求，开始调节时将光源高度尽可能调高。2．注意光学器件的规范使用。使用光学元件应轻拿轻放，切勿用手触碰光学表面，使用完毕后应及时放回元件盒内对应位置。3．使用激光光源时，切勿用眼睛直视激光！学习参考指南8.赵凯华《光学》（第一版），偏振，高等教育出版社。9.马文蔚《物理学》下册（第五版），光的偏振性，高等教育出版社。10.陆果《基础物理学》下卷，光的偏振，高等教育出版社。11.郁道银、谈恒英《工程光学》（第二版），光的偏振和晶体光学基础，机械工业出版社。附录1：激光功率计使用说明书附录2：光学实验调节及仪器使用注意事项附录3：历史背景附录4：理论知识5附录1：激光功率计使用说明书OPT-1A型激光功率指示计是一种数字显示的光功率测量仪器，采用硅光电池作为光传感器，针对650nm波长的激光进行了标定，用于测量该波段的激光功率。如图：1.表头：3位半数字表头，用于显示光强的大小。2.量程选择钮：分为200uW、2mW、20mW、200mW四个标定量程和可调档；测量时尽量采用合适的量程，如测得光强为1.732mW，则采用2mW量程。可调档显示的是光强相对值。3.调零：调零时应遮断光源，旋动调零旋钮，使显示值为零。4.12档光阑探头：该光探头在硅光电池前加上一多结构光阑（圆孔直径为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、6.0mm，缝宽0.2、0.3、0.4、0.8、1.2mm）。可用于光斑定位，光强分布、光斑结构测量等，使用者根据实际测量需要，采用相应的档位。使用方法：1.连接好激光探头和220v电源。打开后面板上的电源开关，数值表头亮。2.将激光探头对准被测的激光束，使光束进入测量孔。3.根据光功率的大小选择适当的量程。量程刻度上的值为该量程可测量的最大值，如200μW是指该档最大测量200μW的激光功率，单位为微瓦，当光功率大于该档最大指示值时，表头溢出显示“1”。4.仪器量程分为200μW、2mW、20mW、200mW和可调档5个量程。当波段开关打到可调档时，连接的电位器可改变表头指示。该档主要用于测量相对值，即测量两束光的功率比值或光强分布等。5.调零电位器用于调整仪器的零点。即在无光照时，应将仪器指示值调为“0”。6.指示计后面板提供了一个半导体激光电源插座，可为相应的半导体激光器提供电源。6附录2：光学实验调节及仪器使用注意事项1.注意光路的同轴等高调节，保证整个光路的光轴沿导轨中轴且高度相同。a．调节激光输出光束沿中轴并平行于导轨面射出，当小孔屏沿导轨移动时，观察激光斑射在孔屏上的位置变化情况，通过调节激光器后相应旋钮，使激光斑能始终保持与小孔重合。b．调节所用光学元件的光学面中轴高度相等，观察光束是否射到元件光学面中心，对光学元件及夹具进行多维度调节；c．调节光学元件共轴，依据光学原理，通过观察各光学元件的反射或透射光点的位置，通过分析、判断逐步加以调节。2.注意光学器件的规范使用。a.使用光学元件应轻拿轻放，使用完毕后应及时放回元件盒内对应位置。b.使用光学元件时，切勿用手触碰光学表面。当光学表面不够清洁等而影响实验进行时，同学切记不要自行处理，请及时报告老师，由老师或在老师的指导下规范的进行清洁工作，避免操作不当造成元件的人为损坏。c.使用激光光源时，切勿用眼睛直视激光！避免灼伤眼睛！附录3：历史背景1809年，法国物理学家及军事工程师马吕斯（E．L．Malus）发现双折射的两束光线的相对强度和晶体的位置有关，从而发现反射时光的偏振现象，确定了偏振光强度变化的规律，建立马吕斯定律。1811年，苏格兰物理学家布儒斯特（DavidBrewster）在研究光的偏振现象时发现，当自然光在两种介质界面反射折射时，若反射光与折射光两方向成直角，反射光为线偏振光，反射角的正切等于折射率比值，称为布儒斯特定律。法国物理学家及天文学家阿拉果（Arago）发现偏振光通过晶体时产生丰富彩色的色偏振现象，并发现石英有使光偏振方向旋转的能力，即物质的旋光性。1816年，布儒斯特发现玻璃变形会产生光的双折射现象，成为光测弹性学的开端。1817年，英国医生和物理学家托马斯·杨（T．Young）提出光的横向振动假说。1818年，法国土木工程师、物理学家菲涅耳（A．J．Fresnel）与物理学家阿拉果系统地研究了偏振光的干涉，证实来自同一光源但偏振面相互垂直的偏振光不能干涉，从而肯定了光波的横向振动理论，并证明了光的偏振及所有已知的光学现象，发展了惠更斯和托马斯·杨的波动理论，成为“物理光学的缔造者”。二十世纪60年代起，伴随着激光、光纤的诞生及发展，光的偏振技术不但在测定机械构件的应力分布、测定晶轴方位、测定糖溶液的浓度方面得到应用，在光电子工程、光波导技术、光信息工程等技术领域应用愈加广泛，应用范围已涉及与光学技术有关的几乎所有学科领域。7附录4：理论知识光的偏振1光的横波性1809年马吕斯在实验上就发现了光的偏振现象。但直到光的电磁理论建立后，光的横波性才得以完满的说明。在自由空间传播的光波是一种纯粹的横波，光波中沿横向振动着的物理量是电场矢量和磁场矢量，鉴于在光和物质的相互作用过程中主要是光波中的电矢量起作用，所以人们常以电矢量作为光波中振动矢量的代表。2偏振光光的横波性只表明电矢量与光的传播方向垂直，在与传播方向垂直的二维空间里电矢量还可能各式各样的振动状态，我们称之为光的偏振态。实际中最常见的光的偏振态大体可分为五种，即自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。2.1自然光普通光源发出的光是大量原子或分子独立的随机自发辐射的平均效果，各原子或分子发出的光波不仅初位相彼此无关联，它们的振动方向也是杂乱无章的。因此宏观看起来，入射光中包含了所有方向的横振动，而平均说来它们对于光的传播方向形成轴对称分布，哪个横方向也不比其它横方向更为突出。具有这种特点的光叫做自然光。2.2部分偏振光经常遇到的光，除了自然光和线偏振光外，一种偏振状态介于两者之间的光。如果用检偏器去检验这种光的时候，随着检偏器透光方向的转动，透射光的强度既不象自然光那样不变，又不象线偏振光那样每转90o交替出现强度极大和消光，其强度每转90o也交替出现极大和极小，但强度的极小不是0（即不消光）。具有这种特点的光，叫做部分偏振光。通常用偏振度P来衡量部分偏振光程度的大小，它定义为P=（I极大-I极小）/（I极大+I极小）这里分母I极大+I极小实际是两个相互垂直分量的强度之和，即部分偏振光。线偏振光是偏振度最大的光。2.3线偏振光透过偏振片的光线中只剩下了与其透光方向平行的振动。这种只包含单一振动方向光叫做线偏振光。线偏振光中振动方向与传播方向构成的平面，叫做偏振面。偏振片用来产生线偏振光，我们叫它起偏器。偏振片用来检验线偏振光，叫做检偏器。I=I0Cos2θθ为偏振面夹角线偏振光通过检偏器后透射光强度随θ角变化的规律，叫做马吕斯定律。2.4圆偏振光如果一束光的电矢量在波面内运动的特点是其瞬时值的大小不变，方向以角速度ω（即波的圆频率）匀速旋转，换句话说，电矢量的端点描绘的轨道为一圆，这种光叫做圆偏振光。垂直振动的合成理论告诉我们，两个相互垂直的简谐振动，当