偏振光的研究(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)大物實(shí)驗(yàn))

1、偏振光的研究趙龍宇 PB06005068光的偏振是指光的振動(dòng)方向不變，或光矢量末端在垂直于傳播方向的平面上的軌跡呈橢圓或圓的現(xiàn)象。光的偏振現(xiàn)象最早是牛頓在1704年至1706年間引入光學(xué)的；馬呂斯在1809年首先提出“光的偏振”這一術(shù)語，并在實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象；麥克斯韋在1865年至1873年間建立了光的電磁理論，從本質(zhì)上說明了光的偏振現(xiàn)象。按電磁波理論，光是橫波，它的振動(dòng)方向和光的傳播方向垂直，因此可以分成五種偏振態(tài)：自然光（非偏振光）、線偏振光、部分偏振光、園偏振光和橢圓偏振光。自然光是各方向的振幅相同的光，它的振動(dòng)方向在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)可取所有可能的方向，沒有一個(gè)方向占有

2、優(yōu)勢。若把所有方向的光振動(dòng)都分解到相互垂直的兩個(gè)方向上，則在這兩個(gè)方向上的振動(dòng)能量和振幅都相等。線偏振光是在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，光矢量只沿一個(gè)固定方向振動(dòng)。部分偏光可以看成自然光與線偏光混合而成，即它有某個(gè)方向的振幅占優(yōu)勢。園偏光和橢圓偏振光是光矢量末端在垂直于傳播方向的平面上的軌跡呈圓或橢圓。 通過對(duì)偏振光的研究人們發(fā)明和制造了一些偏振光的元件，如：偏振片、波片和各種偏振棱鏡等。利用光的偏振現(xiàn)象在物理學(xué)方面可測量材料的厚度和折射率，可以了解材料的微觀結(jié)構(gòu)。力學(xué)上利用偏振光的干涉現(xiàn)象檢測材料應(yīng)力分布，進(jìn)一步應(yīng)用于建筑工程學(xué)方面就可以檢測橋梁和水壩的安全度。實(shí)驗(yàn)原理 為了研究光的偏振態(tài)和利用

3、光的偏振特性進(jìn)行各種分析和測量工作，需要各種偏振元件：產(chǎn)生偏振光的元件、改變光的偏振態(tài)的元件等，下面分類介紹。1 產(chǎn)生偏振光的元件在激光器發(fā)明之前，一般的自然光源產(chǎn)生的光都是非偏振光，因此要產(chǎn)生偏振光都要使用產(chǎn)生偏振光的元件。根據(jù)這些元件在實(shí)驗(yàn)中的作用，分為起偏器和檢偏器。起偏器是將自然光變成線偏振光的元件，檢偏器是用于鑒別光的偏振態(tài)的元件。在激光器諧振腔中可以利用布儒斯特角使輸出的激光束是線偏振光。 將自然光變成偏振光的方法有很多，一個(gè)方法是利用光在界面反射和透射時(shí)光的偏振現(xiàn)象。我們的先人在很早就已經(jīng)對(duì)水平面的反射光有所研究，但定量的研究最早在1815年由布儒斯特完成。反射光中的垂直于入射面

4、的光振動(dòng)（稱s分量）多于平行于入射面的光振動(dòng)（稱p 分量）；而透射光則正好相反。在改變?nèi)肷浣堑臅r(shí)候，出現(xiàn)了一個(gè)特殊的現(xiàn)象，即入射角為一特定值時(shí)，反射光成為完全線偏振光（s分量）。折射光為部分偏振光，而且此時(shí)的反射光線和折射光線垂直，這種現(xiàn)象稱之為布儒斯特定律。該方法是可以獲得線偏振光的方法之一。如圖1所示。因?yàn)榇藭r(shí) ， ，若n1=1（為空氣的折射率），則 （1）i0i0gn1n2圖 1 布儒斯特定律原理圖S分量P分量叫做布儒斯特角，所以通過測量布儒斯特角的大小可以測量介質(zhì)的折射率。由以上介紹可以知道利用反射可以產(chǎn)生偏振光，同樣利用透射（多次透射）也可以產(chǎn)生偏振光（玻璃堆）。圖2 晶體的雙折射第

5、二種是光學(xué)棱鏡，如尼科耳棱鏡、格蘭棱鏡等，它是利用晶體的雙折射的原理制成的。在晶體中存在一個(gè)特殊的方向（光軸方向），當(dāng)光束沿著這個(gè)方向傳播時(shí)，光束不分裂，光束偏離這個(gè)方向傳播時(shí)，光束將分裂為兩束，其中一束光遵守折射定律叫做尋常光（o光），另一束光一般不遵守折射定律叫做非尋常光（e光）。o光和e光都是線偏振光（也叫完全偏振光），兩者的光矢量的振動(dòng)方向（在一般使用狀態(tài)下）互相垂直。改變射向晶體的入射光線的方向可以找到光軸方向，沿著這個(gè)方向，o光和e光的傳播速度相等，折射率相同。晶體可以有一個(gè)光軸，叫做單軸晶體，如方解石、石英，也可以有兩個(gè)光軸，叫雙軸晶體，如云母、硫磺等。包含光軸和任一光線的平面叫

6、對(duì)應(yīng)于該光線的主平面，o光電矢量的振動(dòng)方向垂直于o光主平面，e光電矢量的振動(dòng)方向平行于e光主平面。格蘭棱鏡由兩塊方解石直角棱鏡構(gòu)成，兩棱鏡間有空氣間隙，方解石的光軸平行于棱鏡的棱。自然光垂直于界面射入棱鏡后分為o光和e光，o光在空氣隙上全反射，只有e光透過棱鏡射出。圖3 格蘭棱鏡起偏、檢偏原理第三種是偏振片，它是利用聚乙烯醇塑膠膜制成，它具有梳狀長鏈形結(jié)構(gòu)分子，這些分子平行排列在同一方向上，此時(shí)膠膜只允許垂直于排列方向的光振動(dòng)通過，因而產(chǎn)生線偏振光。它的偏振性能不如格蘭棱鏡，但優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，且可以得到大面積的。本實(shí)驗(yàn)中采用偏振片作為起偏器和檢偏器。2. 波晶片：又稱位相延遲片，是改變光的偏振

7、態(tài)的元件。它是從單軸晶體中切割下來的平行平面板，由于波晶片內(nèi)的速度vo ,ve 不同（所以折射率也就不同），所以造成o光和e光通過波晶片的光程也不同。當(dāng)兩光束通過波晶片后o光的位相相對(duì)于e光延遲量為， (2) 若滿足，即我們稱之為片，若滿足，即，我們稱之為片，若滿足，即我們稱之為全波片（m為整數(shù)）。波晶片可以用來檢驗(yàn)和改變光的偏振態(tài)，如圖4所示，在起偏器后加上一個(gè)波片，旋轉(zhuǎn)起偏器或波片就可以得到園或者橢圓偏振光細(xì)節(jié)和方法參見文獻(xiàn)2、3。波片是橢偏儀中的重要元件，而橢偏儀可以精確測量薄膜的厚度和折射率，是材料科學(xué)研究中常用的精密儀器。激光器P1四分之一波片P2光電探測器圖4 用波片改變光的偏振態(tài)

8、偏振光的研究從馬呂斯定律開始，馬呂斯定律也是最基本和最重要的偏振定律。馬呂斯在1809年發(fā)現(xiàn)，完全線偏振光通過檢偏器后的光強(qiáng)可表示為 （3）其中的q是檢偏器的偏振方向和起偏器偏振方向的夾角。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 本實(shí)驗(yàn)使用的偏振光實(shí)驗(yàn)儀是以分光計(jì)改裝成的。儀器構(gòu)造簡圖如圖5所示，儀圖5 儀器簡圖126345器由1、.半導(dǎo)體激光器（波長650nm）2、硅光電池3、起偏器、4、檢偏器、5、分光計(jì)WJF-10-7A數(shù)字式檢流計(jì)12375468910圖6 1數(shù)顯窗，2，量程選擇4檔開關(guān)，3，衰減旋鈕，4電源開關(guān)，5電源指示燈，6保持開關(guān)，7保持指示燈，8調(diào)零旋鈕，9模擬輸出，10信號(hào)輸入和數(shù)字式檢流計(jì)6。起偏器

9、和檢偏器均為偏振片，放在360分度度盤內(nèi)。數(shù)字式檢流計(jì)的前面板如圖6所示， 測量范圍1´10-10A1.999´10-4A。 1檔測量0.0011.999´（10-7A）的光電流，內(nèi)阻為10W。2檔測量0.11.999（´10-6A）的光電流，內(nèi)阻小于1W。3檔測量0.11.999（´10-5A）的光電流，內(nèi)阻小于0.1W。4檔測量0.11.999（´10-4A）的光電流，內(nèi)阻小于0.01W。測量誤差小于±0.5%+1個(gè)字。使用時(shí)接上220v電源開機(jī)預(yù)熱15分鐘。檢查衰減旋鈕是否順時(shí)針到底（注意動(dòng)作要輕），此時(shí)靈敏度最高，數(shù)

10、顯窗口顯示的為標(biāo)準(zhǔn)電流。如果測量相對(duì)值可將衰減旋鈕放在其他位置。按下保持開關(guān)可保持當(dāng)前數(shù)值，這時(shí)不論被測信號(hào)如何改變，光電流不變。1、儀器調(diào)節(jié)：（1）首先利用雙平面鏡調(diào)節(jié)放半導(dǎo)體激光器的光管（以下簡稱管1）使其與儀器的旋轉(zhuǎn)主軸垂直（也就是說與度盤平面平行），同時(shí)使分光計(jì)載物臺(tái)與度盤平面平行。（2）將硅光電池取下調(diào)節(jié)放硅光電池的光管（以下簡稱管2），使之與管1同軸。然后鎖緊管2的止動(dòng)螺釘，遮住激光，然后再插入硅光電池。（3） 檢查硅光電池的輸出信號(hào)是否與數(shù)字檢流計(jì)接好，檢流計(jì)量程選擇1檔開關(guān)放在1檔，調(diào)節(jié)零點(diǎn)旋鈕，使數(shù)據(jù)顯示為“-.000”（負(fù)號(hào)閃爍）。2、測量半導(dǎo)體激光器的偏振度 在管1上套上

11、起偏器P1，將量程選擇4檔開關(guān)打到第4檔，（將起偏器豎直方向調(diào)到0°），旋轉(zhuǎn)起偏器找到光強(qiáng)最強(qiáng)的位置，記錄角度和光強(qiáng)值Imax。再將起偏器旋轉(zhuǎn)90°，記錄角度和光強(qiáng)值Imin。根據(jù)公式計(jì)算激光的偏振度P： （4）3、驗(yàn)證馬呂斯定律檢流計(jì)仍放在4檔，在測量過程中也不要換檔。將起偏器放在光強(qiáng)最強(qiáng)的位置，在管2另一端套上檢偏器P2并使豎直方向?yàn)?°。然后旋轉(zhuǎn)檢偏器P2使檢流計(jì)的光強(qiáng)最?。ㄈ栽?檔可以調(diào)為0）。此時(shí)可以認(rèn)為P1 與P2偏振方向的夾角為90°，記錄此時(shí)P2偏振方向的絕對(duì)角度值f、相對(duì)角度值q和光強(qiáng)值I，以后每隔10°記錄一次，直到P1 與

12、P2偏振方向的夾角為-90°，I0為 P1 與P2偏振方向的夾角為0°時(shí)的光強(qiáng)值，作出I/I0cos2q的關(guān)系曲線（0°90°，0°-90°各一條，用最小二乘法求出斜率和截距，根據(jù)馬呂斯定律斜率應(yīng)為1，截距應(yīng)為0，分析實(shí)驗(yàn)的誤差）。4、根據(jù)布儒斯特定律測定介質(zhì)的折射率：P1樣品激光器圖7 測量布儒斯特角的光路圖圖7 為實(shí)驗(yàn)光路，取下檢偏器P2將樣品平面放在載物臺(tái)的中心，旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)使反射光反射回激光器入射方向（注意此時(shí)要鎖緊載物臺(tái)固定螺釘和度盤固定螺釘，松開游標(biāo)盤固定螺釘），記下游標(biāo)的刻度，再旋轉(zhuǎn)游標(biāo)盤使入射角為57°，用一張

13、白紙接受從樣品平面反射的光點(diǎn)，調(diào)節(jié)P1的角度使光強(qiáng)為最弱，此時(shí)從P1的出射的光矢量的振動(dòng)方向?yàn)槠叫杏谌肷涿娴膒矢量。旋轉(zhuǎn)游標(biāo)盤使入射角在57°附近轉(zhuǎn)動(dòng)找出完全消光的位置，計(jì)下此時(shí)游標(biāo)的刻度，這個(gè)角度就是布儒斯特角，由布儒斯特定律求出樣品的折射率n。5. 選作內(nèi)容：利用本實(shí)驗(yàn)的設(shè)備研究1/4波片的性質(zhì)，說明產(chǎn)生圓偏光、橢圓偏光和線偏光的條件和檢測方法。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：1. 驗(yàn)證馬呂斯定律：I0=408mA0102030405060708090I/I01.0000.9850.9090.7870.6270.4510.2820.1420.046010011012013014015016017018

14、0190I/I00.0150.0860.1980.3500.5200.6860.8310.9390.9880.980200210220230240250260270280290I/I00.9090.7920.6400.4680.2990.1520.0490.0020.0150.093300310320330340350I/I00.2180.3770.5490.7160.8550.953圖像為：（上圖坐標(biāo)軸中表示的0即為，因?yàn)镺rigin無法顯示）討論：I0為最大值時(shí)的電流值，通過不同角度的電流值與最大值的比例可以看出其余弦規(guī)律，基本可以滿足II0=cos2，即滿足馬呂斯定律。2. 0=300&

15、#176;在兩側(cè)均有一個(gè)位置使得其滿足布魯斯特角，左側(cè)為1，右側(cè)為2，數(shù)據(jù)如下：1242.75°242.50°242.50°2356.25°356.75°356.50°1-057.25°57.50°57.50°2-056.25°56.75°56.50°=57.25+57.50+57.50+56.25+56.75+56.506=56.96°=0.534° uA=6=0.218°在P=0.68下,tAuA=1.11×0.218°=0.242°=56.96±0.24°n=tg=tg56.96°±tg0.24°=1.538±0.004故玻璃的折射率大概為1.538，布魯斯特角大概為57度。3. 關(guān)于14玻片的橢圓偏振光的研究實(shí)驗(yàn)。0102030405060708090I2761114179247298322312269206100110120130140150160170180190I138803815533102762200210220230240250260270280