四川大学探索型物理实验-光的偏振特性研究论文

文章题目光的偏振特性研究姓名邓宇轩学号1043052125电话[phone]邮箱[e-mail]创新点自述1.选用了“光的偏振”这一应用性较高的课题；2.分别探究了1/2λ波片和1/4λ波片的光学特性；3.系统地总结了如何快速检验偏振光的类型；4.提出了几个偏振光应用的新方案。光的偏振特性研究邓宇轩建筑与环境学院1043052125摘要：该实验利用偏振片，半导体激光器和光学探头组成的光学实验平台验证了马吕斯定律，并在此基础上探究了1/2λ波片，1/4λ波片的光学特性和半导体激光器的偏振特性，最后由实验得到一些创新想法。关键词：光的偏振；马吕斯定律；半导体激光器；偏振特性；光污染ResearchoflightpolarizationDENGYuxuanThecollegeofconstructionandenvironment1043052125Abstract:Inthisstudy,theopticalpolarizerexperimentalplatform,consistingofasemiconductorlaserandtheopticalprobeisverifiedMaluslaw,onthebasisofinquiryinthe1/2λwaveplate,thepolarizationcharacteristicoftheopticalpropertiesof1/4λwaveplateandasemiconductorlaserFinally,getsomeinnovativeideasbytheexperiment.Keywords:Polarizationoflight;Maluslaw;semiconductorlasers;polarizationcharacteristics;lightpollution;引言：这学期选了探索型物理实验和综合设计与创新物理实验，本文为光的偏振特性研究实验的结课作业。如今光的偏振应用在社会的各个领域，作为工科生有必要对这门科学有一个较为详尽的了解。本实验主要是用激光发射器对光的偏振特性进行探究，观察光的偏振现象，掌握利用偏振器来调节光强度的方法和了解产生偏振光的方法，了解检验偏振光的原理和方法，实验后能够在能力范围内得出一些有价值的猜想。正文：光作为一种电磁波是横波，光振动方向与传播方向垂直。光的偏振特性对光在介质中的传输、反射和折射有很大影响。马吕斯定律是1808年提出来的，其具体表述为：当入射到检偏器的线偏振光光强度为I1，经过检偏器后的出射强度为I2，若入射线偏振光的振动方向和检偏器透振方向夹角为α，则有：I2=I1•cos2α。1.实验原理光的偏振现象清楚地显示了光的横波性，即电矢量E和磁矢量H的振动方向都与光波的传播方向V垂直（如图1）。因为光对物质作用主要是由于电矢量E产生，因此通常用电矢量E代表光的振动方向（在光学中常将电矢量称为光矢量）。把光的振动方向与传播方向构成的平面，称为振动面。光有五种偏振态，即自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。其中线偏振光、圆偏振光又可看作椭圆偏振光的特例。若光矢量的取向与大小都随时间作无规则的变化，各方向的取向几率相同，而且各取向上光矢量振幅的时间平均值相等，则称为自然光。若光矢量在某一确定的方向上最强，且各方向的电振动无固定的位相关系，则称为部分偏振光。若光矢量固定在某一平面内振动，则称为平面偏振光或线偏振光。如果光矢量方向随时间作有规则的改变，其末端在垂直于传播方向的平面内的轨迹呈椭圆或圆，这样的光分别称为椭圆偏振光和圆偏振光。1.1线（平面）偏振光的产生――偏振器:获得偏振光的途径很多。当光在不同介质的界面上发生反射、折射时，只要满足一定的条件，就可以产生部分偏振光乃至线偏振光。在实际工作中，常采用专门的偏振器来获得具有固定振动面的平面偏振光。偏振器可以用天然的双折射晶体产生，如沃拉斯顿（Wollaston）棱镜、洛松（Rochon）棱镜、尼科耳（Nicol）棱镜、格兰（Glan）棱镜等。由于天然双折射晶体体积不大，而且价格较高，因而利用天然晶体制作的棱镜偏振器仅用于需要高质量偏振光的地方。实验发现有些材料对不同偏振状态的光有选择吸收的性质。例如，天然的电气石晶体和硫酸碘奎宁晶体。当光矢量与晶体的光轴平行时，光被晶体吸收较少，而光矢量与晶体的光轴垂直时，光被吸收较多。这种性质叫做晶体的二向色性。常见的偏振片是在拉伸了的赛珞基片上蒸镀一层硫酸碘奎宁小晶粒，利用基片的应力使晶粒的光轴定向排列，构成面积较大的偏振片。由于部分有机化合物晶体具有二向色性，易于大面积制作，且价格便利，因而得到广泛应用。自然光经过偏振片，其透射光基本上变为线偏振光。这种偏振片既可作为光的起偏器也可作为光的检偏器。它能够吸收某一振动方向的光而透过与此垂直方向振动的光。偏振器可以透过光振动的方向，称为透振方向。偏振器按其在应用时所起的作用不同而叫法不同：用来产生偏振光的叫起偏器，用来检验偏振光的叫检偏器。图2光学平台工作原理1.2马吕斯定律：马吕斯定律定量描述了线偏振光经过偏振器（检偏器）前后的强度关系，它表述为：当入射到检偏器的线偏振光光强度为I1，经过检偏器后的出射光强度为I2，若入射线偏振光的振动方向和检偏器透振方向夹角为α，则有：I2=I1·cos2α（未考虑检偏器的吸收）由式可知，当=0、π，即入射和出射光振动方向平行时，I2=I1，光强不变；而2、23即入射和出射光振动方向垂直时，I2=0，即出射光“消光”。检偏器可用于检验光波在各不同振动方向的强度分量。旋转检偏器，改变其透振方向，可以观察到出射光线的强度变化。1.3椭圆偏振光和圆偏振光:正如在力学中两个互相垂直，有一定位相差的同频率简谐振动的合振动是椭圆振动一样，椭圆偏振光可视为沿同一方向z传播,振动方向相互垂直的两个同频率的线偏振光（如图3所示，一个电矢量为xE、一个为yE）的合成：)cos()cos(εkztAEkztAEyyxx其中：xA、yA为振幅；为二光波的圆频率；t为时间；k为波矢；ε为两光波的相对相位差．合成电矢量E的端点在垂直于光传播方向的平面内描绘的随时间变化的轨迹为一椭圆。椭圆的形状、取向和旋转方向，由yxAA,和ε决定。当yxAA及2ε时，椭圆偏振光变为圆偏振光；当,0ε±或者xA(或0)yA时，椭圆偏振光变为线偏振光。1.4偏振光的产生:（1）线偏振光可以由自然光或部分偏振光通过偏振器（通常称为起偏器）产生，由于只有电矢量方向平行于透振方向的光可以通过，所以，由偏振器出射的光为线偏振光。（2）产生椭圆偏振光的方法是将线偏振光垂直入射到λ/4波晶片上，线偏振光振动方向与λ/4波片光轴的夹角不等于45°，这时透过λ/4波片的光就是椭圆偏振光，椭圆长轴或短轴与λ/4波片光轴平行。（3）产生圆偏振光的方法与产生椭圆偏振光的方法相同，注意的是线偏振光垂直入射到λ/4波片时，必须使线偏振光的振动方向与λ/4片的光轴成45°，这时透过λ/4片的光是圆偏振光。1.5偏振光的检验：要检验一束光是自然光、部分偏振光、线偏振态、椭圆偏振光还是圆偏振光，需使用λ/4波片和偏振器（包括起偏器、检偏器）按照一定的步骤观察光强的变化，进行分析判别。将待测光束垂直射入检偏器，并转动检偏器观察光强变化：（1）在检偏器转动中，光强不变为自然光或圆偏振光。在检偏器前加入λ/4波片,再旋转检偏器。（2）在检偏器旋转360中光强两次为0，为线偏振光；（3）在检偏器旋转360中光强变化但不为0，为部分偏振光或椭圆偏振光。进一步判断应仿照(1)步骤，在检偏器前加入λ/4波片并使波片光轴方向与光强极大值方向一致，再旋转检偏器，观察光强变化：光强变化但不为0为部分偏振光；旋转360时，光强两次为0为椭圆偏振光。本实验中判断线偏振光通过λ/4波片出射光的偏振态，所以可以事先排除为自然光或部分偏振光的可能，只可能是线偏振光、圆偏振光或椭圆偏振光。具体类型由各种偏振态在观察过程中所表现的特征来决定。见下表：图3椭圆偏振光的分解与合成根据观察到的特征就可以确定光束的偏振状态。2.实验装置及实验方法实验装置有：实验平台、偏振片两套、四分之一波片一套、磁性底座、半导体激光器和激光功率指示器。实验方法如下：2.1光的偏振特性以及马吕斯定律:在光学平台上，将激光器、偏振架1（起偏器）、偏振架2（检偏器）、功率指示计光探头依次排列。将激光器、功率指示计光探头分别以功率指示计相连。打开功率指示计电源，激光输出。调整激光指向和各架子的高度，使激光从二个偏振片的中心通过，进入功率指示计探头。旋转检偏器，记录下角度与功率的关系曲线，以验证马吕斯定律。2.21/4λ波片的光学特性：在实验1基础上，旋转检偏器使激光完全不能通过，进入消光状态。在起偏器与检偏器之间加入1/4λ波片架，这时可能会有部分光通过检偏器。旋转1/4λ波片，使系统重新进入消光状态。记下消光状态时的1/4λ波片方位角度，并旋转45°。旋转检偏器记录下光强的变化（对于理想状态光强应无较大变化，近似为一圆偏振光）。2.31/2λ波片的光学特性：在实验1基础上，旋转检偏器使激光完全不能通过，进入消光状态。在起偏器与检偏器之间加入1/2λ波片架，这时可能会有部分光通过检偏器。旋转1/2λ波片，使系统重新进入消光状态。记下消光状态时的1/2λ波片方位角度，并旋转10°。旋转检偏器，记录下光强最小时检偏器的方位角。2.4半导体激光器的偏振特性：在实验1的基础上取下起偏器。旋转检偏器，记录下功率最大值和最小值，以及所对应的角度，由此求出半导体激光的偏振度。3.结果和讨论3.1记录角度和功率的关系，以验证马吕斯定律。表1输入功率=200mW偏振光的检验令从λ/4波片出射光通过检偏器，改变检偏器的透振方向，观察透射光强的变化现象强度有变化，有消光强度无变化，无消光强度有变化，无消光结论线偏振圆偏振椭圆偏振3.21/4λ波片实验中旋转检偏器记录下光强的变化。表2输入功率=200mW偏振片转过角度(°)90120150180210240°270300330光功率4035333437423933313.31/2λ波片实验中旋转检偏器，记录下光强最小时检偏器的方位角。表3输入功率=200mW1/2λ波片方位角度(°)272727272727272727检偏器方位角(°)2941122921082941142941152923.4半导体激光器实验中旋转检偏器，记录下功率最大与最小值以及对应角度，由此求出半导体激光的偏振度。表4输入功率=20mW偏振片转过角度(°)1810618327434981154249316光功率0.42.20.42.20.42.20.42.20.44.结论4.1将表1中的数据代入马吕斯定律公式:100×cos30°2=75实际值=77100×cos60°2=25实际值=26100×cos90°2=0实际值=0偏振片转过角度(°)0306090120150180210240光功率100772602272986925100×cos120°2=25实际值=22100×cos150°2=75实际值=72100×cos180°2=100实际值=98100×cos210°2=75实际值=69100×cos240°2=25实际值=25结果与实际测量结果在误差允许范围内近似相等，马吕斯定律得以验证。4.21/4λ波片光学特性：光强无较大变化，无消光，线性光经过1/4λ波片后近似为圆偏振光。4.31/2λ波片光学特性：强度有变化，有消光，为线偏振光。4.4偏振度：偏振度=（2.2-0.4）/（2.2+0.4）=69.23％5.实验后的想法关于偏振光的应用提出的几个新方案：5.1利用偏振片防止车灯炫目而导致安全事故在夜间行车的时候司机往往会因为对面来车的强烈灯光照射而难以睁开眼睛，这给夜间行车带来了巨大的安全隐患，为防止类似情况发生，可利用偏振片来制作前大灯以及挡风玻璃。即规定车灯玻璃与挡