清华大学偏振光学实验完整实验报告

偏振光学实验完整实验报告工物53李哲201501178316号1.实验目的：（1）理解偏振光的基本概念，在概念以及原理上了解线偏振光，圆偏振光以及椭圆偏振光，并了解偏振光的起偏与检偏方法。以及线偏振光具有的一些性质。（2）学习偏振片与玻片的工作原理。2.实验原理：（1）光波偏振态的描述：·单色偏振光可以分解成两个偏振方向垂直的线偏振光的叠加：taEXcos1与taEYcos1（其中是两个偏振方向分量的相位延迟，21,aa为两个光的振幅），由其中的,,21aa就可以确定这个线偏振光的性质。或0就为线偏振光，2,21aa为圆偏振光（就是光矢量的顶点绕其中点做圆周运动，依然是偏振光），而一般情况下是椭圆偏振光。·上述式子通常描述的是椭圆偏振光，而本实验通过测量椭圆的长轴方位角以及椭圆的短半轴与长半轴的比值对于椭圆偏振光进行描述。其计算式是：cos2tanarctan2112sinsin112222ab而对于实验中的椭圆偏振光而言，其光强在短轴对应的方向最小，在长轴的对应方向最大，所以可以通过使这个椭圆偏振光通过一个偏振片，并调整偏振片的透射轴方位，测量其最大最小值，就可以知道其长轴短轴的比值。又由于光强与振幅的平方成正比，所以测得的光强的比值是长轴短轴之比的平方。（2）偏振片：·理想偏振片：只有电矢量振动方向与透射轴平行方向的光波分量才能通过偏振片。·实验中的偏振片不是理想化的，并不能达到上述的效果，当入射光波的振动方向与透射轴平行时，其透射率不能达到1，当垂直于透射轴时，其透射率不是0。所以对于偏振片有主透射率以及消光比两个量进行描述。·主透射率21TT，指沿透射轴或消光轴方向振动光的光强透射率。两者的比值是消光比e。·对于起偏器而言，其并不是理想的偏振片，但是其消光比是在5-4-10-10的量级，所以透过起偏器的光依然可以视为线偏振光。·计算消光比需要用到马吕斯定律：2221cosTTTT而完全非偏振光经过两个透射轴成角且主透射率相同的偏振器后，总透射率：22122221sincos21TTTTT·实验中只需要测定两个偏振片透射轴相互垂直以及平行时的总透射率的比值（此时光强的值为最小值和最大值）就可以得到消光比：·eeeTTTTII21222222121maxmin（因为光强是保持不变的，所以总光强当做分母消掉了，就会有上式，也说明实验中提前预热对于实验的准确性非常重要）。（3）延迟器以及玻片：·延迟器：材料是线性双折射材料，具有两个相互垂直的特定方向，慢轴以及快轴。当光波在延迟器中传播的时候，振动方向沿着这两个轴的偏振分量由于线性双折射材料的性质，所以会有不同的折射率，因此振动方向相互垂直的这两个分量的光具有不同的传播速度，当通过一定厚度的这样的延迟器时，会产生一定的光程差：dnnLfs，因此两个轴的分量将会产生相位延迟r。其计算值：0cdnnfsr·振动方向平行于快轴或者慢轴方向的偏振光经过延迟器后，其振动状态不变。利用这个原理可以定出延迟器的快轴或者慢轴的方向。将延迟器放在两个正交的偏振器之间，旋转延迟器，消光，则可以知道延迟器的一个轴平行于偏振片的一个轴。·其延迟相位的测量方法：入射一束方位角为的线偏振光，经过玻片后，可以通过测得光强极值（通过硅光片通过光电效应，产生的与光强成正比的光电流的测量）的比值maxminII，得：maxminmaxmin12sin2sinIIIIr·而且应注意：当4时，由于0cosr，测量椭圆的长短轴之比会有较大的误差。因此测量让入射光的偏振方向与玻片的轴成一个稍小于4的角度。（4）反射和折射的起偏现象（布儒斯特角）：·将入射的电矢量分解成平行以及垂直于入射面的两个分量，其光强反射率具有以下公式：·2tantantitiPR·2sinsintitiSR·由上式可以知，当Binarctan时，没有平行于入射面的反射光。可以利用这个原理判定布儒斯特角，当利用起偏器使入射光只有振动平行于入射面的偏振光，并且此时入射角满足布儒斯特定律，就不会产生反射光，可以通过检验反射光的消失，判定布儒斯特角的大小。实验中可以通过这个定理判定偏振器透射轴的方向，当已经得到布儒斯特角的时候，固定小平台，使棱镜不发生转动，然后可以调整P盘，使屏上光点最暗（或消失），这个时候就可以知道此时偏振片透射轴的方向平行于入射面，然后记录下此时P盘上的度盘方位度数。3.实验器材：（1）半导体激光器：本实验的半导体激光器产生的是近似维线偏振光，光的偏振方向在椭圆形光斑的长轴方向。而且为了减小输出光强的波动影响，实验前要预先点燃激光器，5-10分钟后开始实验，并且在实验的过程中不能够关闭激光器，而且眼睛不能直视激光，防止眼底被灼伤。（2）起偏器A与起偏器P：读数窗口有三圈示数，中间是游标。中央偏振片与外圈联动，度数的精度是1.0。（3）有两个41玻片XCC,0。0C为快轴大致方向已经由白点标出的玻片，XC是未知快轴方向的玻片。（4）硅光电池，数字电压表和电阻箱：硅光电池与电阻相串联，电阻箱与数字电压表并联。光照会导致硅光电池产生光电流，当负载较小的时候，产生的光电流与光强成正比。可以通过读取数字电压表的示数大致了解光电流的大小，光强的比值也与光电流的大小成正比，所以数字电压表示数的比值可以反映之后测量的的值。4.实验步骤：（1）打开激光器预热5-10分钟，保证在测量过程中，激光器产生激光的光强稳定，并且调整好激光器偏振方向的方位（让激光束椭圆斑的长轴方向逆时针与水平方向夹角为3530这样可以使光经过起偏器后光强不是很小，影响实验的进行）。（2）调整起偏管以及检偏管的方位，使激光从光源出发通过起偏管与检偏管中心。（3）调节小平台下部螺丝，使小平台与分光计主轴基本垂直，保证放下反射试块后，其试块平面与分光计主轴平行。（4）首先确定入射角是0的时候其相应的方位角。在平台上放置棱镜，将一纸片（纸片的面积要相对较大）上戳一个洞，在含起偏器P的椭圆盘的管口处，将纸片上的小洞对准激光的斑点。此时可以在纸片上观察到一个很小的亮点，maxminII以及激光打在纸片上的大亮斑。后旋转圆盘的内圈，使小亮点与大亮斑重合，记录下此时的方位角0i。然后取下纸片，将纸片遮挡在分光计的一侧做一个屏，后旋转平台（带动棱镜旋转）约57，然后通过不断地微调入射角i以及起偏器的方位角，使屏上的光斑消失（因为这个时候入射光只有振动方向平行于入射面的分量，而这个时候该光的反射率为0，所以会产生消光的现象），记下此时的平台方位角度数B，然后通过差值0iBB得到布儒斯特角（这样通过差值的计算也可以减小实验的误差，并且能简化实验的步骤）。（5）定偏振器的透射轴方向：上述实验之后，可以知道起偏器P的透射轴一定位于水平方位方向（有上述布儒斯特角产生的条件可以知道）。而后在原来的装置基础上来回转动度盘，重复测量六次透射轴水平对应的度盘的度数，并且取平均值作为透射轴水平时P盘的方位角。并将P盘放置在平均值位置，然后撤去棱镜，打开光强探测器，转动检偏器A所在的度盘使所测得光强为最小值，这个时候A盘与P盘的透光轴的方向相互垂直，记下A盘的度盘度数a。（6）测量消光比e：这个时候保留P盘不转动，转动A盘依次记录下透射光强的极大值和极小值。然后利用：eeeTTTTII21222222121maxmin式子计算出消光比。（7）测量透射光强与两个偏振片夹角间的关系：当两个偏振片间的夹角分别为：90,87,84,80,75,60,45,30,15,0计算出此时A盘所应该对应的角度（注意要在A盘对应的盘的角度上加上90度，因为两者初始状态透光轴是相互垂直的，所以加上90度使两者水平），然后旋转A盘，到达相应的角度，测量此时数字电压表对应的示数（反映了其光强的大小）。然后做出曲线，探寻其规律。（8）定波片0C的快轴方向：在P盘的一端装上0C，然后使P盘与A盘调整到透光轴相互垂直的方向，然后旋转0C，观察数字电压表的示数，使其示数最小。这个时候就知道0C的一个轴就已经平行于P的透射轴方向。并且读出此时快轴度盘的示数。（9）线偏振光经过0.25玻片：此时是观测线偏振光通过0.25玻片后偏振态的改变，使起偏器与慢轴的夹角为43,5.67,45,5.22,0时，先计算出起偏器所对应的P盘应具有的度数，然后旋转其到其相应的度数，旋转A盘，测量数字式电压表对应的最大值以及最小值。通过这两个值就可以计算出透射光所形成的椭圆偏振光的长轴方位角以及椭圆偏振光长短轴相应的比值。（10）定待测玻片XC的轴方向：此时将该待测玻片放在小平台上，使光束垂直透过，定出其某一轴在竖直方向时的度盘示数。（11）观测偏振光通过半玻片或者全玻片的现象：使0C快轴方向与XC某轴方向平行，而后扭动P盘的方位角，使入射的线偏振光角度发生改变，而后测量其消光的时候A盘的度数的改变值可以知道偏振光等效通过的是半玻片或者全玻片。如果是通过的是等效的全玻片，那么这个偏振光的振动方向不发生改变，那么产生消光现象的时候，两个偏振片是同步的进行转动的。而如果等效的经过半波片，那么光的偏振方向会发生改变。而且，这两个玻片的快轴相互平行的时候等效为一个半波片，当慢轴与快轴平行的时候，等效为一个全玻片。·注：通过全玻片偏振光的振动方向不发生改变，通过半波片该光依然是偏振光，只是偏振光的振动方向发生改变，这可以通过A盘的转动角度的分析知道是哪一种情况。4.实验数据处理：（4）观察布儒斯特角：·光束正入射的时候平台的方位角是：`15125`,153050i·当旋转盘，发生消光现象时，盘对应的示数是：`5182`,52B·所以可以得到对应的布儒斯特角：`5056`,5056·所以由此可以算出棱镜的折射率：53.1`5056tantanBn·相对偏差：31049.654.154.1n（5）定偏振器的透射轴方向：·起偏器P的透射轴在水平方向上对应的方位角是：1.23869.2382.2388.2367.2378.237239—P·对应的标准差：567.06612_2iPPS（6）测消光比：450641210205.7675.84006.02003.001.050010042mVmVmVmVIIIIRRe（7）测量透射光强与两偏振器夹角间的关系：夹角015304560A盘角度266.1281.1296.1311.1326.1光强8.9118.3206.6424.3882.150min2maxcosIIIC8.3176.6864.45852.231%MMCIII0.0670.2500.5080.750夹角7580848790A盘角度341.1346.1350.1353.1356.1光强0.5470.2540.0780.0090.003min2maxcosIIIC0.5100.2720.0100.0270.003%MMCIII0.9430.9690.99820.99630.9999·相对折射率随角度的变化而改变的数据：角度0153045607580848790相对透射率10.9340.7450.4920.2410.0610.0290.0090.001000.20.40.60.811.20102030405060708090100相对折射率以及cos²α随着α变化的图像系列1系列2（上述两条线完全重合了，所以只显示了一条线）·由上述图像可以知道，两组曲线完美的契合。可以知道透射率满足马吕斯定律：·2221cosTTTT（8）定波片快轴在垂直方向时度盘的示数