清華大學(xué)偏振光學(xué)實(shí)驗(yàn)完整實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、工物53李哲201501178316號(hào)1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1) 理解偏振光的基本概念，在概念以及原理上了解線偏振光，圓偏振光以及橢圓偏振光，并了解偏振光的起偏與檢偏方法。以及線偏振光具有的一些性質(zhì)。(2) 學(xué)習(xí)偏振片與玻片的工作原理。2. 實(shí)驗(yàn)原理：(1) 光波偏振態(tài)的描述：?jiǎn)紊窆饪梢苑纸獬蓛蓚€(gè)偏振方向垂直的線偏振光的疊加：E二acosot與氣=cosQdf+8)(其中5是兩個(gè)偏振方向分量的相位延X(jué)1Y1遲，a,a為兩個(gè)光的振幅)，由其中的a,a,8就可以確定這個(gè)線偏振光的性質(zhì)。12128=?；?=0就為線偏振光，a】,8為圓偏振光(就是光矢量的頂點(diǎn)繞其中點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，依然是偏振光)，而一般情況

2、下是橢圓偏振光。上述式子通常描述的是橢圓偏振光，而本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量橢圓的長(zhǎng)軸方位角屮以及橢圓的短半軸與長(zhǎng)半軸的比值對(duì)于橢圓偏振光進(jìn)行描述。其計(jì)算式是：arctanGan20-cos8)b2_2a21+Jl-(sin8-sin2p而對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的橢圓偏振光而言，其光強(qiáng)在短軸對(duì)應(yīng)的方向最小，在長(zhǎng)軸的對(duì)應(yīng)方向最大，所以可以通過(guò)使這個(gè)橢圓偏振光通過(guò)一個(gè)偏振片，并調(diào)整偏振片的透射軸方位，測(cè)量其最大最小值，就可以知道其長(zhǎng)軸短軸的比值。又由于光強(qiáng)與振幅的平方成正比，所以測(cè)得的光強(qiáng)的比值是長(zhǎng)軸短軸之比的平方。(2) 偏振片： 理想偏振片：只有電矢量振動(dòng)方向與透射軸平行方向的光波分量才能通過(guò)偏振片。實(shí)驗(yàn)中的偏振片不

3、是理想化的，并不能達(dá)到上述的效果，當(dāng)入射光波的振動(dòng)方向與透射軸平行時(shí)，其透射率不能達(dá)到1，當(dāng)垂直于透射軸時(shí)，其透射率不是0。所以對(duì)于偏振片有主透射率以及消光比兩個(gè)量進(jìn)行描述。主透射率T,T指沿透射軸或消光軸方向振動(dòng)光的光強(qiáng)透射率。兩者的比值12是消光比e。 對(duì)于起偏器而言，其并不是理想的偏振片，但是其消光比是在10-4-10-5的量級(jí)，所以透過(guò)起偏器的光依然可以視為線偏振光。 計(jì)算消光比需要用到馬呂斯定律：4_°1T)cos20+TU122而完全非偏振光經(jīng)過(guò)兩個(gè)透射軸成0角且主透射率相同的偏振器后，總透射率：T二T2+T2>Cos20+TTsin20021212實(shí)驗(yàn)中只需要測(cè)定

4、兩個(gè)偏振片透射軸相互垂直以及平行時(shí)的總透射率的比值（此時(shí)光強(qiáng)的值為最小值和最大值）I2TT12就可以得到消光比：嚴(yán)=（T2+T2）=卷2emax12（因?yàn)楣鈴?qiáng)是保持不變的，所以總光強(qiáng)當(dāng)做分母消掉了，就會(huì)有上式，也說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中提前預(yù)熱對(duì)于實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性非常重要）。（3）延遲器以及玻片： 延遲器：材料是線性雙折射材料，具有兩個(gè)相互垂直的特定方向，慢軸以及快軸。當(dāng)光波在延遲器中傳播的時(shí)候，振動(dòng)方向沿著這兩個(gè)軸的偏振分量由于線性雙折射材料的性質(zhì)，所以會(huì)有不同的折射率，因此振動(dòng)方向相互垂直的這兩個(gè)分量的光具有不同，當(dāng)通過(guò)一定厚度的這樣的延遲器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的光程差：*L=,因此兩個(gè)軸的分量將會(huì)產(chǎn)生相位延遲S

5、廠。So'n其計(jì)算值：Sr=sc0振動(dòng)方向平行于快軸或者慢軸方向的偏振光經(jīng)過(guò)延遲器后，其振動(dòng)狀態(tài)不變。利用這個(gè)原理可以定出延遲器的快軸或者慢軸的方向。將延遲器放在兩個(gè)正交的偏振器之間，旋轉(zhuǎn)延遲器，消光，則可以知道延遲器的一個(gè)軸平行于偏振片的一個(gè)軸。 其延遲相位的測(cè)量方法：入射一束方位角為0的線偏振光，經(jīng)過(guò)玻片后，可以通過(guò)測(cè)得光強(qiáng)極值（通過(guò)硅光片通過(guò)光電效應(yīng)，產(chǎn)生的與光強(qiáng)成正比的光電流的測(cè)量）的比值'min/1max，得：sinSr2"./minmaxsin（2卩丿1+1I）min*max0=兀而且應(yīng)注意：當(dāng)H4時(shí)，由于cosSr沁0，測(cè)量橢圓的長(zhǎng)短軸之比會(huì)有兀較大的誤

6、差。因此測(cè)量讓入射光的偏振方向與玻片的軸成一個(gè)稍小于7的角度。（4）反射和折射的起偏現(xiàn)象（布儒斯特角）：將入射的電矢量分解成平行以及垂直于入射面的兩個(gè)分量，其光強(qiáng)反射率具有以下公式：tan-0）tan+0）it2sin-0)sin+&)it由上式可以知，當(dāng)&i二arctann=&B時(shí)，沒(méi)有平行于入射面的反射光?？梢岳眠@個(gè)原理判定布儒斯特角，當(dāng)利用起偏器使入射光只有振動(dòng)平行于入射面的偏振光，并且此時(shí)入射角滿足布儒斯特定律，就不會(huì)產(chǎn)生反射光，可以通過(guò)檢驗(yàn)反射光的消失，判定布儒斯特角的大小。實(shí)驗(yàn)中可以通過(guò)這個(gè)定理判定偏振器透射軸的方向，當(dāng)已經(jīng)得到布儒斯特角的時(shí)候，固定小平臺(tái)

7、，使棱鏡不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，然后可以調(diào)整P盤(pán)，使屏上光點(diǎn)最暗(或消失)，這個(gè)時(shí)候就可以知道此時(shí)偏振片透射軸的方向平行于入射面，然后記錄下此時(shí)P盤(pán)上的度盤(pán)方位度數(shù)。3. 實(shí)驗(yàn)器材：(1) 半導(dǎo)體激光器：本實(shí)驗(yàn)的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的是近似維線偏振光，光的偏振方向在橢圓形光斑的長(zhǎng)軸方向。而且為了減小輸出光強(qiáng)的波動(dòng)影響，實(shí)驗(yàn)前要預(yù)先點(diǎn)燃激光器，5-10分鐘后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，并且在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中不能夠關(guān)閉激光器，而且眼睛不能直視激光，防止眼底被灼傷。(2) 起偏器A與起偏器P：讀數(shù)窗口有三圈示數(shù)，中間是游標(biāo)。中央偏振片與外圈聯(lián)動(dòng)，度數(shù)的精度是。(3) 有兩個(gè)I/4玻片C0，CX。Co為快軸大致方向已經(jīng)由白點(diǎn)標(biāo)出的玻片，C

8、X是未知快軸方向的玻片。(4) 硅光電池，數(shù)字電壓表和電阻箱：硅光電池與電阻相串聯(lián)，電阻箱與數(shù)字電壓表并聯(lián)。光照會(huì)導(dǎo)致硅光電池產(chǎn)生光電流，當(dāng)負(fù)載較小的時(shí)候，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。可以通過(guò)讀取數(shù)字電壓表的示數(shù)大致了解光電流的大小，光強(qiáng)的比值也與光電流的大小成正比，所以數(shù)字電壓表示數(shù)的比值可以反映之后測(cè)量的minmax的值。4.實(shí)驗(yàn)步驟：(1) 打開(kāi)激光器預(yù)熱5-10分鐘，保證在測(cè)量過(guò)程中，激光器產(chǎn)生激光的光強(qiáng)穩(wěn)定，并且調(diào)整好激光器偏振方向的方位(讓激光束橢圓斑的長(zhǎng)軸方向逆時(shí)針與水平方向夾角為30-35°這樣可以使光經(jīng)過(guò)起偏器后光強(qiáng)不是很小，影響實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行)。(2) 調(diào)整起偏管以及檢

9、偏管的方位，使激光從光源出發(fā)通過(guò)起偏管與檢偏管中心。(3) 調(diào)節(jié)小平臺(tái)下部螺絲，使小平臺(tái)與分光計(jì)主軸基本垂直，保證放下反射試塊后，其試塊平面與分光計(jì)主軸平行。(4) 首先確定入射角是°°的時(shí)候其相應(yīng)的方位角。在平臺(tái)上放置棱鏡，將一紙片(紙片的面積要相對(duì)較大)上戳一個(gè)洞，在含起偏器P的橢圓盤(pán)的管口處，將紙片上的小洞對(duì)準(zhǔn)激光的斑點(diǎn)。此時(shí)可以在紙片上觀察到一個(gè)很小的亮點(diǎn)，以及激光打在紙片上的大亮斑。后旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)的內(nèi)圈，使小亮點(diǎn)與大亮斑重合，記錄下此時(shí)的方位角然后取下紙片，將紙片遮擋在分光計(jì)的一側(cè)做一個(gè)i=0屏，后旋轉(zhuǎn)平臺(tái)（帶動(dòng)棱鏡旋轉(zhuǎn)）約57。，然后通過(guò)不斷地微調(diào)入射角9.以及起偏

10、器的方位角，使屏上的光斑消失（因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候入射光只有振動(dòng)方向平行于入射面的分量，而這個(gè)時(shí)候該光的反射率為0，所以會(huì)產(chǎn)生消光的現(xiàn)象），記下此時(shí)的平臺(tái)方位角度數(shù)aB，然后通過(guò)差值6-a得到布儒斯特角（這BBBi二0樣通過(guò)差值的計(jì)算也可以減小實(shí)驗(yàn)的誤差，并且能簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)的步驟）。（5）定偏振器的透射軸方向：上述實(shí)驗(yàn)之后，可以知道起偏器P的透射軸一定位于水平方位方向（有上述布儒斯特角產(chǎn)生的條件可以知道）。而后在原來(lái)的裝置基礎(chǔ)上來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)度盤(pán)，重復(fù)測(cè)量六次透射軸水平對(duì)應(yīng)的度盤(pán)的度數(shù)，并且取平均值作為透射軸水平時(shí)P盤(pán)的方位角。并將P盤(pán)放置在平均值位置，然后撤去棱鏡，打開(kāi)光強(qiáng)探測(cè)器，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器A所在的度盤(pán)使所測(cè)

11、得光強(qiáng)為最小值，這個(gè)時(shí)候A盤(pán)與P盤(pán)的透光軸的方向相互垂直，記下A盤(pán)的度盤(pán)度數(shù)a：6）e測(cè)量消光比這個(gè)時(shí)候保留P盤(pán)不轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)A盤(pán)依次記錄下透射光強(qiáng)的極大值和極小值。然后利用：minmax2TT12='2+T2/122e1+e2沁2e式子計(jì)算出消光比。（7）測(cè)量透射光強(qiáng)與兩個(gè)偏振片夾角間的關(guān)系：9=0°,15。,30°,45°,60°,75。,80°,84°,87°,90°當(dāng)兩個(gè)偏振片間的夾角分別為：計(jì)算出此時(shí)A盤(pán)所應(yīng)該對(duì)應(yīng)的角度（注意要在A盤(pán)對(duì)應(yīng)的盤(pán)的角度上加上90度，因?yàn)閮烧叱跏紶顟B(tài)透光軸是相互垂直的，所

12、以加上90度使兩者水平），然后旋轉(zhuǎn)A盤(pán)，到達(dá)相應(yīng)的角度，測(cè)量此時(shí)數(shù)字電壓表對(duì)應(yīng)的示數(shù)（反映了其光強(qiáng)的大?。Ｈ缓笞龀銮€，探尋其規(guī)律。C（8）定波片的快軸方向：C在P盤(pán)的一端裝上°，然后使P盤(pán)與A盤(pán)調(diào)整到透光軸相互垂直的方向，然后CC旋轉(zhuǎn)0，觀察數(shù)字電壓表的示數(shù)，使其示數(shù)最小。這個(gè)時(shí)候就知道0的一個(gè)軸就已經(jīng)平行于P的透射軸方向。并且讀出此時(shí)快軸度盤(pán)的示數(shù)。（9）線偏振光經(jīng)過(guò)0.25玻片：此時(shí)是觀測(cè)線偏振光通過(guò)0.25玻片后偏振態(tài)的改變，使起偏器與慢軸的夾角為9=0°,22.5°,45°,67.5°,43°時(shí)，先計(jì)算出起偏器所對(duì)應(yīng)的P盤(pán)

13、應(yīng)具有的度數(shù)，然后旋轉(zhuǎn)其到其相應(yīng)的度數(shù)，旋轉(zhuǎn)A盤(pán)，測(cè)量數(shù)字式電壓表對(duì)應(yīng)的最大值以及最小值。通過(guò)這兩個(gè)值就可以計(jì)算出透射光所形成的橢圓偏振光的長(zhǎng)軸方位角以及橢圓偏振光長(zhǎng)短軸相應(yīng)的比值。C（10）定待測(cè)玻片的軸方向：此時(shí)將該待測(cè)玻片放在小平臺(tái)上，使光束垂直透過(guò)，定出其某一軸在豎直方向時(shí)的度盤(pán)示數(shù)。（11）觀測(cè)偏振光通過(guò)半玻片或者全玻片的現(xiàn)象：CC0CX使快軸方向與X某軸方向平行，而后扭動(dòng)P盤(pán)的方位角，使入射的線偏振光角度發(fā)生改變，而后測(cè)量其消光的時(shí)候A盤(pán)的度數(shù)的改變值可以知道偏振光等效通過(guò)的是半玻片或者全玻片。如果是通過(guò)的是等效的全玻片，那么這個(gè)偏振光的振動(dòng)方向不發(fā)生改變，那么產(chǎn)生消光現(xiàn)象的時(shí)候，

14、兩個(gè)偏振片是同步的進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的。而如果等效的經(jīng)過(guò)半波片，那么光的偏振方向會(huì)發(fā)生改變。而且，這兩個(gè)玻片的快軸相互平行的時(shí)候等效為一個(gè)半波片，當(dāng)慢軸與快軸平行的時(shí)候，等效為一個(gè)全玻片。注：通過(guò)全玻片偏振光的振動(dòng)方向不發(fā)生改變，通過(guò)半波片該光依然是偏振光，只是偏振光的振動(dòng)方向發(fā)生改變，這可以通過(guò)A盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度的分析知道是哪一種情況。4. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：（4）觀察布儒斯特角：光束正入射的時(shí)候平臺(tái)的方位角是：«=305。15、,125。15、i-0當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤(pán)，發(fā)生消光現(xiàn)象時(shí)，盤(pán)對(duì)應(yīng)的示數(shù)是«=2。5、,182。亍B所以可以得到對(duì)應(yīng)的布儒斯特角：9二56。50',56。50'

15、;所以由此可以算出棱鏡的折射率：n=tan9=tan56°50'«1.53B相對(duì)偏差：6.49x10-3(n-1.541.54-（5）定偏振器的透射軸方向：起偏器P的透射軸在水平方向上對(duì)應(yīng)的方位角是：239。+237.8。+237.7。+236.8。+238.2。+238.9。P=238.1°對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差：6x6(¥rP-P_S2二4il丿二0.5676(6) 測(cè)消光比：RG+1-21)1000(0.01mV+0.003mV-2x(-0.006mV)e=2-464=-=7.205X10-4R4-150004x8.675mV157）測(cè)量透射光強(qiáng)與兩

16、偏振器夾角間的關(guān)系：夾角015304560A盤(pán)角度266.12811296.1311.1326.1光強(qiáng)8.9118.3206.6424.3882.150I«ICos。+ICmaxmin8.3176.6864.45852.231I-I|/I(%)Cm'M0.0670.2500.5080.750夾角7580848790A盤(pán)角度341.1346.1350.1353.1356.1光強(qiáng)0.5470.2540.0780.0090.003I«ICos。+ICmaxmin0.5100.2720.0100.0270.003I-1l/I(%)CMbM0.9430.9690.99820.

17、99630.9999相對(duì)折射率隨角度的變化而改變的數(shù)據(jù):角度0153045607580848790相對(duì)透射率10.9340.7450.4920.2410.0610.0290.0090.0010相對(duì)折射率以及cos2a隨著a變化的圖像系列1系列2(上述兩條線完全重合了，所以只顯示了一條線)由上述圖像可以知道，兩組曲線完美的契合?？梢灾劳干渎蕽M足馬呂斯定律：T=(TT)cos29+T9122(8)定波片快軸在垂直方向時(shí)度盤(pán)的示數(shù)：C=159.2。014(9)線偏振光通過(guò)玻片：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格：卩=pp0.022.545.067.543.0p=卩+p238.1260.6283.13056281.1ai

18、99.797.113.38.419¥=a+90一a1i166.4169252.8257.7247.1Imax6.0204.6373.1872.2843.153Imin0.2611.8311.5700.1001.843b2；a2uI/Imin'max0.0430.3950.4930.0440.5845r34.21070.13234.63075.298屮19.79345.000-19.72437.299sin5rJTTminmaxsin(2p)(+1I)min*max1¥=_arctan(tan2卩-cos5)2所以可以判斷當(dāng)入射的角度為43度，45度時(shí)，從其長(zhǎng)軸的方位

19、角以及其長(zhǎng)短軸的比值可以知道，這個(gè)時(shí)候產(chǎn)生的偏振光近似為圓偏振光。(10) 待測(cè)定波片的軸方向：當(dāng)一個(gè)軸在垂直方向上時(shí)，度盤(pán)的示數(shù)為：195°(11) 線偏振光通過(guò)半波片或全玻片：當(dāng)待測(cè)玻片的某軸在垂直方向，已知玻片的快軸在垂直方向：pp0°15°30°45°p238.1°253.1°268.1°283.1°ai176.3°204.2°217.5°230.5°a一a1i-0.2°-28.1°-41.4°-54.4°當(dāng)待測(cè)玻片的某軸在垂直方向，已知玻片的快軸在水平方向：pp10°15°30°45°p238.1°253.1°268.1°283.1°ai176.0°160.9°144.4°127.1°a一ai0.2°15.2°31.7°49.0°結(jié)論：由上述兩個(gè)表格可以知道，第一個(gè)表格，經(jīng)過(guò)玻片的偏振光的方向是與原偏振光的振動(dòng)方向朝相反的方向變化，所以可