(数字化综合6)偏振光的研究

实验六偏振光的研究光是横波，它的振动方向和光的传播方向垂直．自然光．即所谓的非偏振光，它的振动在垂直于光的传播方向的平面内可取所有可能的方向．而没有一个方向占优势。某一方向振动占优势的光叫部分偏振光，只在某一个固定方向振动的光叫线偏振光或平面偏振光．实验目的：1、线偏振光的产生与鉴别：2、圆偏振光的产生与鉴别：3、椭圆偏振光的产生与鉴别：实验原理：l、非金属面的反射和折射光线斜射向非金属的光滑平面上(例如水、木头、玻璃等)时反射光和透射光都会产生偏振现象，其偏振的程度取决于光的入射角以及反射物的性质．当入射角是某一数值时，反射光为线偏振光，这时的入射角叫起偏角，起偏角的数值和反射物质的折射率有如下关系：ntg此关系称为布儒斯特定律．从空气入射到介质，一般起偏角在53至58度之间，根据布儒斯特定律，可以简单地利用玻璃片起偏。此方法也可以用于测定物质的折射率n。非金属表面反射的线偏振光的振动方向总是垂直于入射面的．透射光是部分偏振光，使用多层玻璃组合成的玻璃堆，可得到很好的透射线偏振光，其振动方向是平行行于入射面的。2、偏振片分子型的偏振片是利用聚乙烯醇塑胶膜。它具有梳状长链形结构的分子，这些分子平行排列在同一方向上．此时胶膜只允许垂直于分子排列方向的光振动通过，因而产生线偏振光，鉴别光的偏振状态叫检偏，用作检偏的仪器或元件叫检偏器．偏振片也可作为监偏器使用。自然光、部分偏振光和线偏振光通过偏振片时，在垂直光线传播方向的平面内旋转偏振片，可观察到不同的现象。3、波片与圆偏振光、椭圆偏振光平面偏振光垂直入射晶片，如果光轴平行于晶片表面，会产生比较特殊的双折射现象，这时非常光e和寻常光o的传播方向是一致的，但速度不同，因而从晶片出射时会产生相位差Lnne02式中为单色光波长，n0和ne为0光和e光的折射率，L为晶片厚度．由于o、e光的振动方向相互垂直，取e光轴为z方向，沿x轴、y轴的光矢量分别为Ex和Ey，则有2020222sincos2AAEEAEAEeyxyeX因此（1）k2，为线偏振光。(2))12(k，为线偏振光；(3))21(k，为正椭圆偏振光；(4)不等于以上各值时，为椭圆偏振光．(以上K=0。1，2，…)对某一波长的单色光产生)12(k相位差的叫作1／4波片。当线偏振光垂直入射到l/4波片时，且其振动方向与波片光轴成角，如图1所示，由于0光和e光的振幅是的函数，合成振幅A因角的不同而不同。(1)=o或2时，A。=o或Ae=o，为线偏振光；(2)=4时，A。=Ae，为圆偏振光；(3)为其他角度时为椭圆偏振光．实验装置：1、组成；该偏振光实验系统由光源、偏振器、信号接收器和控制器等组成，具体如图所示，实验中使用的是单光束的光路，采用格兰梭镜做偏振器。波片波片是相位延迟器的一种，是由双折射材料制成的一种光学元件，本实验采用的是石英晶体材料制作的波片。信号接收器是光电转换器件，通常用硅光电池来实现，把接收到的光转换成电信号然后由A／D卡转换成数字信号，为计算机纪录。在本实验中，接收器位于检偏器后，以记录实验结果。仪器中的控制器可根据需要控制起偏器和检偏器的电机转动。2、测量该系统的是利用偏光器件对光的偏振性质进行测量和鉴别。a、偏振光实验，将光电接收的电信号经A／D变换进入计算机进行处理，实验中通过测量光强分布来确定偏振光的偏振态。用光电器件探测偏振光时，应注意的一个问题是：几乎所有的光电器件都具有偏振敏感性，所以在探测偏振态不同的偏振光时，既使光功率相同，所输出的电信号也随着偏振态的不同而不同。为保证测量精度，本实验系统在光电器件的窗口处加一退偏器(透镜或毛玻璃)。b．偏振光的产生与鉴别线偏振光的产生与鉴别当自然光通过偏振器(通常称之为起偏器)后，由于只有电矢量振动方向平行于透射轴的光可以通过。所以，由偏振器出射的光为线偏振光。判断偏振光是否是线偏振光，只要让偏振光通过一个偏振器(称之为检偏器)，当转动检偏器,改变检偏器透射轴与线偏振光之间的夹角时，出射的光强随之改变，根据偏振器的性质可以知道，当透射轴与线偏振光的振动方向平行时，出射的光强最大。而垂直于线偏振光的振动方向时出现消光，即出射的光强为零。如果检偏器旋转一周光强变化交替出现两次最亮和两次零光强，即两明两黑：且符合马吕斯定律，20cosII，(为检偏器透射轴与偏振光方向间的夹角)，即最亮和最暗之间，检偏器应转过90。，则为线偏振光。圆偏振光产生及鉴别产生圆偏振光的前提条件是首先得到线偏振光，然后线偏振光垂直入射到4/波片，如果线偏振光的振动方向与4/波片的快轴和慢轴成45o角，这时透过4/片的光是圆偏振光。检偏器旋转时，光强没有变化。椭圆偏振光的产生及鉴别产生椭圆偏振光的方法是将一束线偏振光正入射到入／4片上，线偏振光振动方向与4/波片慢轴的夹角不等于45o，此时透过4/波片的光就是椭圆偏振光，其长轴与波片快轴或慢轴平行。当椭圆偏振光通过旋转的检偏器，光强将出现两明两暗，光强出现最亮时，检偏器的透射轴的方向就是椭圆的长轴方向：光强出现最暗时，检偏器的透射轴的方向就椭圆的短轴方向。图形的绘制：实验中要得到完整的椭圆曲线．需要作一些工作，现讨论如下：当装置如图3放置，初始时起偏器P1和检偏器P2的偏振化方向正交．1／4波片的光轴与起偏器P1的偏振化方向夹角为，三者之间的关系如图3右边所示，其中为实验采图3样时样时，检偏器P2的偏振化方向与其初始时方向之间的夹角．设自然光的振幅为Ao，则经起偏器后的线偏振光的振幅为Ao／2，绎1/4波片后得到寻常光和非常光，起振幅分别为cos2,sin2000AAAAe其振动表达式分别为：wtAwtAtEsinsin2sin000（5）wtAwtAtEecoscos2cos00(6)透过检偏器的光振动为90cos180cos0tEtEtEe把式(5)、(6)代入上式得wtAwtAtEcossincos2sincossin200其振幅为220sincoscossin2AA因此，透过检偏器的光强为220sincoscossin2II(8)在极坐标系中作出转角与光强平方根I的关系曲线，其理论曲线如图4所示(圆点线为6/时情况。星点线为3/时情况，图中进行了归一化处理)．我们可以看出它不是椭圆曲线，因而也就不能直图4验证椭圆偏振光的存在。问题出在哪里?这在于椭圆曲线的极角并不一定等于转角θ。对于椭圆曲线sin,cosbyax，矢径2222sincosbayxr，(9)极角为tgxytgcossin(10)由(10)可见，只有当a=b时(即为圆时)，这就是I曲线不是椭圆的原因．因此，作出椭圆曲线的关键是找出对应的极角．通过比较式(8)和(9)，我们得到极角的正切应为tan/tantan(11)极角tan/tanarctan0≤θ＜π/2-αtan/tanarctanπ/2-α≤θ＜3π/2-α2tan/tanarctan3π/2-α≤θ＜2π其中反三角函数均取主值。图5给出了I的理论曲线（圆点线为6/时情况。星点线为3/时情况，图中进行了归一化处理）可以看出它是椭圆曲线，因此这样处理实验数据可以直接验证椭圆偏振光的存在。实验步骤：启动微机上的偏振光实验软件时，一定要先打开放置在实验台上的电控单元的电源开关，这样软件才能实时显示光电接收器的信号。在屏幕的最下方显示有当前角度和光强值。1、安装与调试实验仪器最终的搭建如图2所示，故在实验过程中要依图给后置的器件预留足够的空间。同时检查：图2a．激光源发出的光束应平行于光学平台。b．光束是否通过放入光路中的部件(如：格兰棱镜、接收器等)的中心。应保证信号光垂直入射到接收器上。2、测量1．起偏在光路上安置透镜、起偏器和光电接收器，打开激光器，使起偏器垂直于光束的平面内转动(选择1号电机，按采集键))，则可在屏幕上观察到透过光强的变化。要求显示的曲线为正弦形（偏振片转360o），光滑、等高，表明测定的激光为线偏振光。应用角度检索功使1号电机转到光强值最大的位置。若曲线噪声大．可检查信号光束是否进入接收器靶面中心；当曲线的二极大值不相等时，微微转动格兰棱镜的支架，改变入射光的入射角，即可获得满意的效果。注意：如果光强最小值不为零，应该调整光学器件与光线的相对位置。2．消光，要求记录该位置时的角度和光强值在光路上添加检偏器，使起偏器固定（不再转动1号电机），在垂直于光束的平面内旋转检偏器(开启2号电机)，观察图象。是否能找到一个位置使光完全消失?（应用软件提供的读取数据键，得到消光时的角度值；再利用角度检索功能使2号电机转到该角度值，此即为消光位，。此时两偏振器之间有什么关系?）3．圆偏振光和椭圆偏振光的产生(1)完成实验2后，使起偏器和检偏器处在消光位置，然后插入一片1／4波长片(注意使光线尽量穿过元件中心)．(2)以光线为轴先转动l/4波片消光（以软件显示的光强值为依据，要求消光时的光强为最小，记录该最小光强值），找到其消光位置。(3)再将l／4波片从消光位置分别转过30o、45o、60o、75o、90o，每次都将检偏器（2号电机）转360o。分别在直角坐标和极坐标（I、I）中观察所绘制的图形并做出相关分析。I中要求输入波片转过的角度，因为实际操作的误差，输入的角度值可以在理论值的5范围内调整，以期获得一个完美的椭圆。思考题：旋转l/4波片消光时，各光学器件的相对位置如何，请绘出光路图给以说明。激光器透镜起偏器波片检偏器光电接收器电控箱计算机