偏振光特性的研究

1、光學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)論文偏振光特性的研究摘要：實(shí)驗(yàn)?zāi)康模ㄒ唬W(xué)習(xí)用光電轉(zhuǎn)換的方法測定相對光強(qiáng),驗(yàn)證馬呂斯定律。（二）研究1/4波片的光學(xué)特性（三）研究半導(dǎo)體激光器的偏振特性（測出其偏振度）（四）研究物質(zhì)的旋光特性（五）觀察石英晶體的旋光特性和測量旋光度（六）觀察旋光色散，并解釋現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)要求：（一）掌握各種偏振光的特性。（二）學(xué)會辨別各種偏振光。（三）了解偏振光干涉和雙折射現(xiàn)象關(guān)鍵詞：偏振、馬呂斯定律、1/4波片、偏振特性、偏振度、旋光特性、旋光色散。引言：光的干涉和衍射現(xiàn)象揭示了光的波動性質(zhì)，而光的偏振現(xiàn)象進(jìn)一步驗(yàn)證了光波是橫波。我們研究偏振現(xiàn)象不僅可以認(rèn)識光的電磁波性質(zhì)，而且可以對光的傳播規(guī)律有許

2、多新的認(rèn)識。實(shí)驗(yàn)原理：1偏振光的種類光是電磁波，它的電矢量E和磁矢量H相互垂直，且又垂直于光的傳播方向通常用電矢量代表光矢量，并將光矢量和光的傳播方向所構(gòu)成的平面稱為光的振動面按光矢量的不同振動狀態(tài)，可以把光分為五種偏振態(tài)：如光矢量沿著一個固定方向振動，稱為線偏振光或平面偏振光；如在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，光矢量的方向是任意的，且各個方向的振幅相等，則稱為自然光；如果有的方向光矢量的振幅較大，有的方向振幅較小，則稱為部分偏振光；如果光矢量的大小和方向隨時間作周期性的變化，且光矢量的末端在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)的軌跡是圓或橢圓，則分別稱為圓偏振光或橢圓偏振光能使自然光變成偏振光的裝置或器件，稱

3、為起偏器；用來檢驗(yàn)偏振光的裝置或器件，稱為檢偏器2線偏振光的產(chǎn)生（1）反射和折射產(chǎn)生偏振根據(jù)布儒斯特定律，當(dāng)自然光以arctann的入射角從空氣或真空入射至折射率為n的介質(zhì)表面上時，其反射光為完全的線偏振光，振動面垂直于入射面，而透射光為部分偏振光，ib稱為布儒斯特角如果自然光以ib入射到一疊平行玻璃片堆上，則經(jīng)過多次反射和折射最后從玻璃片堆透射出來的光也接近于線偏振光玻璃片的數(shù)目越多，透射光的偏振度越高（2）偏振片它是利用某些有機(jī)化合物晶體的“二向色性”制成的當(dāng)自然光通過這種偏振片后，光矢量垂直于偏振片透振方向的分量幾乎完全被吸收，光矢量平行于透振方向的分量幾乎完全通過，因此透射光基本上為線

4、偏振光（3）雙折射產(chǎn)生偏振當(dāng)自然光入射到某些雙折射晶體（如方解石、石英等）時，經(jīng)晶體的雙折射所產(chǎn)生的尋常光（o光）和非常光（e光）都是線偏振光.3波晶片波晶片簡稱波片，它通常是一塊光軸平行于表面的單軸晶片，一束平面偏振光垂直入射到圖1波晶片波晶片后，便分解為振動方向與光軸方向平行的e光和與光軸方向垂直的o光兩部分（如圖1所示）這兩種光在晶體內(nèi)的傳播方向雖然一致，但它們在晶體內(nèi)傳播的速度卻不相同（為么?）于是，e光和o光通過波晶片后就產(chǎn)生固定的相位差5,即d芋（ne-W式中九為入射光的波長，1為晶片的厚度，ne和，no分別為e和o光的主折射率。兀5=（2k+1）對于某種單色光，能產(chǎn)生相位差2的波

5、晶片，稱為此單色光的1/4波片；能產(chǎn)生5二（2k+1）兀的晶片，稱為1/2波片；能產(chǎn)生5=2刼波晶片，稱為全波片.通常波片用云母片剝離成適當(dāng)厚度或用石英晶體研磨成薄片.由于石英晶體是正晶體，其o光比e光的速度快，沿光軸方向振動的光（e光）傳播速度慢，故光軸稱為慢軸，與之垂直的方向稱為快軸對于負(fù)晶體制成的波片，光軸就是快軸4平面偏振光通過各種波片后偏振態(tài)的改變由圖1可知一束振動方向與光軸成0角的平面偏振光垂直入射到波片上后，會產(chǎn)生振動方向相互垂直的e和o光，其E矢量大小分別為Ee二Ecs0、Eo-Esin0，通過波片后，二者產(chǎn)生一附加相位差離開波片時合成波的偏振性質(zhì)，決定于相位差5和0如果入射線

6、偏振光的振動方向與波片的光軸的夾角為0和兀/2，則任何波片對它都不起作用，即從波片出射的光仍為原來的線偏振光.而如果0不為0或兀/2，線偏振光通過1/2波片后，出來的也仍為線偏振光，但它振動方向?qū)⑿D(zhuǎn)20，即出射光和入射光的電矢量對稱于光軸線偏振光通過1/4波片后，則可能產(chǎn)生線偏振光、圓偏振光和長軸與光軸垂直或平行的橢圓偏振光，這取決于入射線偏振光振動方向與光軸夾角0.5偏振光的鑒別鑒別人射光的偏振態(tài)須借助于檢偏器和1/4波片使入射光通過檢偏器后，檢測其透射光強(qiáng)并轉(zhuǎn)動檢偏器：若出現(xiàn)透射光強(qiáng)為零（稱“消光”）的現(xiàn)象，則入射光必為線偏振光；若透射光的強(qiáng)度沒有變化，則可能為自然光或圓偏振光（或兩者的

7、混合）；若轉(zhuǎn)動檢偏器，透射光強(qiáng)雖有變化但不出現(xiàn)消光現(xiàn)象，則入射光可能是橢圓偏振光或部分偏振光要進(jìn)一步作出鑒別，則須在入射光與檢偏器之間插入一塊1/4波片若入射光是圓偏振光，則通過1/4波片后將轉(zhuǎn)變成線偏振光（為什么?），轉(zhuǎn)動檢偏器時就會看到消光現(xiàn)象；否則，就是自然光若入射光是橢圓偏振光，當(dāng)1/4波片的慢軸（或快軸）與被檢的橢圓偏振光的長軸或短軸平行時，透射光也為線偏振光（為什么?），于是轉(zhuǎn)動檢偏器也會出現(xiàn)消光現(xiàn)象；否則，就是部分偏振光實(shí)驗(yàn)過程：（一）觀察光的偏振現(xiàn)象、起偏和檢偏實(shí)驗(yàn)步驟：1、調(diào)整偏振光實(shí)驗(yàn)儀。2、在光源和接收器之間放置起偏器、檢偏器，旋轉(zhuǎn)檢偏器觀察到光強(qiáng)發(fā)生變化，由偏振片轉(zhuǎn)盤刻

8、度可知，當(dāng)起偏器、檢偏器的偏振方向平行時，光最強(qiáng)，偏振方向垂直時，光最暗。3、將檢偏器旋轉(zhuǎn)一周，光強(qiáng)變化四次，兩明兩暗。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：光通過起偏器后成為偏振光。（二）學(xué)習(xí)用光電轉(zhuǎn)換的方法測定相對光強(qiáng),驗(yàn)證馬呂斯定律實(shí)驗(yàn)步驟：1、將激光器、起偏器、檢偏器、功率指示計(jì)光探頭依次排列。2、將激光器、功率指示計(jì)探頭分別與功率指示計(jì)相連。3、打開功率指示計(jì)電源，激光輸出。調(diào)整激光指向和各架子的高度，使激光從兩個偏振片的中心通過，進(jìn)入功率指示計(jì)探頭。4、旋轉(zhuǎn)檢偏器，記錄下角度與功率的關(guān)系曲線，以驗(yàn)證馬呂斯定律。布氏窗A光電池電流表He-Ne激光器1/4波片檢偏器圖2實(shí)驗(yàn)裝置原理圖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：99Oo75o6

9、Oo45o3Oo15oOOI000.120.480.961.451.821.98/fOS2900.130.490.991.481.841.98實(shí)驗(yàn)分析：在誤差允許范圍內(nèi)，0的分布曲線滿足余弦曲線，即馬呂斯定律得證。三）研究1/4波片的光學(xué)特性實(shí)驗(yàn)步驟：1、在實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上，旋轉(zhuǎn)檢偏器使激光完全不能通過，進(jìn)入消光狀態(tài)。2、在起偏器與檢偏器之間加入1/4波片，這時可能會有部分光通過檢偏器3、旋轉(zhuǎn)1/4波片，使系統(tǒng)重新進(jìn)入消光狀態(tài)。4504、記下消光狀態(tài)時1/4波片方為角度，并旋轉(zhuǎn)。5、旋轉(zhuǎn)檢偏器記錄光強(qiáng)的變化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：14波片轉(zhuǎn)角P2旋轉(zhuǎn)周，透射光強(qiáng)是否變化P2旋轉(zhuǎn)周，出現(xiàn)幾次消光光的偏振特

10、性15。有0橢圓偏振光3Oo有0橢圓偏振光45o無0圓偏振光6Oo有0橢圓偏振光75o有0橢圓偏振光9Oo有2線偏振光實(shí)驗(yàn)分析：450平面偏振光通過1/4波片后，透射光一般是橢圓偏振光，當(dāng)Q二時（Q為線偏振光的振00900動方向與波片光軸的夾角），則為圓偏振光；但當(dāng)a=和時，橢圓偏振光退化為平面偏振光。也就是說，1/4波片可將平面偏振光變成橢圓偏振光或圓偏振光；也可將橢圓偏振光或圓偏振光變成平面偏振光。（四）研究半導(dǎo)體激光器的偏振特性（測出其偏振度）實(shí)驗(yàn)步驟：1、在實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上取下檢偏器。2、旋轉(zhuǎn)檢偏器，記錄下功率最大值和最小值，以及對應(yīng)的角度，求出半導(dǎo)體激光器的偏振度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：6。時

11、有最大值，/max=0.349=90時有最小值，/min=0.001I+Iymaxymin則偏振度P=Imax_Imin=0.994實(shí)驗(yàn)分析：半導(dǎo)體激光器實(shí)際是非嚴(yán)格的線偏振光。（五）石英的旋光特性研究實(shí)驗(yàn)步驟：1、在實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上，旋轉(zhuǎn)檢偏器，使系統(tǒng)進(jìn)入消光狀態(tài)，記錄檢偏器角度位置2、將旋光晶體放入起偏器與檢偏器之間，觀察檢偏器投射情況。3、旋轉(zhuǎn)檢偏器，使系統(tǒng)再次進(jìn)入消光，記錄旋光角度，求出旋光率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：6=980L=3mma=6/L=32.667度/毫米（六）觀察石英晶體的旋光色散實(shí)驗(yàn)步驟：1、將實(shí)驗(yàn)五中實(shí)驗(yàn)的光源換位白光光源，探頭換位白屏。1.旋轉(zhuǎn)檢偏器，同時觀察白屏上燈光顏色的

12、變換。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：在旋轉(zhuǎn)檢偏器的過程中，白屏上光的顏色由青到黃，由黃到紅，由紅變紫，由紫變藍(lán)，由藍(lán)再變青，如此循環(huán)變化。實(shí)驗(yàn)分析：任何一個直線簡諧運(yùn)動可以看作是兩個相反方向旋轉(zhuǎn)的同頻率的圓周運(yùn)動的組合，認(rèn)為：沿晶體光軸方向傳播的直線偏振光也可以看作是由兩個同頻率、旋向相反的原偏振光組成。在旋光晶體中，這兩種偏振光有不同的傳播速度.當(dāng)線偏振光通過某些物質(zhì)時，其振動面將以光的傳播方向?yàn)檩S發(fā)生旋轉(zhuǎn),出現(xiàn)旋光現(xiàn)象。（七）用旋光特性測定液體（糖溶液）濃度實(shí)驗(yàn)步驟：1測定旋光系統(tǒng)的零點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上，在起偏器和檢偏器之間放入容器。旋轉(zhuǎn)檢偏器，使系統(tǒng)達(dá)到消光的狀態(tài)。2測定標(biāo)準(zhǔn)溶液的旋轉(zhuǎn)角度。在容器中注

13、入標(biāo)準(zhǔn)溶液，這時有部分光通過檢偏器。旋轉(zhuǎn)檢偏器使系統(tǒng)再次達(dá)到消光狀態(tài)，記錄旋光的角度3再次測定旋光系統(tǒng)的零點(diǎn)。4測定待測溶液的旋轉(zhuǎn)角度。在容器中注入待測溶液，這時有部分光通過檢偏器。旋轉(zhuǎn)檢偏器使系統(tǒng)再次達(dá)到消光狀態(tài)，記錄旋光的角度由公式0=p-c可得:c0001/0實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理0500=0=90625g蔗糖配置25ml溶液，求未知蔗糖溶液濃度。c已知0=1.39mol/Lc得1=2.50mol/L結(jié)論與展望:自然光通過偏振片P之后，只有振動方向與偏振片的透振方向一致的光才能順利通過，也就是說，通過偏振片P的光波，在垂直于傳播方向的平面上，沿著某個特定的方向振動，這種光叫偏振光。通過偏振片P的偏

14、振光，再通過偏振片Q,如果兩個偏振片的透振方向平行，則可以通過；如果兩個偏振片的透振方向垂直，則不能透過Q（如圖-1所示）。根據(jù)偏振光的這個特性，在實(shí)際中有很多用途。閤-1自然光在玻璃、水面、木質(zhì)桌面等表面反射時，反射光和折射光都是偏振光，而且入射角變化時，偏振的程度也有變化。在拍攝表面光滑的物體，如玻璃器皿、水面、陳列櫥柜、油漆表面、塑料表面等，常常會出現(xiàn)耀斑或反光，這是由于反射光波的干擾而引起的。如果在拍攝時加用偏振鏡，并適當(dāng)?shù)匦D(zhuǎn)偏振鏡片，讓它的透振方向與反射光的透振方向垂直，就可以減弱反射光而使水下或玻璃后的影像清晰。夜晚，汽車前燈發(fā)出的強(qiáng)光將迎面駛來的汽車司機(jī)照射得睜不開眼睛，嚴(yán)重影

15、響行車安全。若考慮將汽車前燈玻璃改用偏振玻璃，使射出的燈光變?yōu)槠窆?；同時汽車前窗玻璃也采用偏振玻璃，其透振方向恰好與燈光的振動方向垂直，這樣司機(jī)不僅可以防止對方汽車強(qiáng)光的刺激，也能看清自己車燈發(fā)出的光所照亮的物體。偏振光通過一些介質(zhì)后，其振動方向相對原來的振動方向會發(fā)生一定角度的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的這個角度叫旋光度，旋光度與介質(zhì)的濃度、長度、折射率等因素有關(guān)。測量旋光度的大小，就可以知道介質(zhì)相關(guān)物理量的變化。如圖-4所示為電子手表等的液晶顯示器，兩塊透振方向互相垂直的偏振片當(dāng)中插進(jìn)一個液晶盒，盒內(nèi)液晶層的上下是透明的電極板，它們刻成了數(shù)字筆畫的形狀。外界的自然光通過第一塊偏振片后，成了偏振光，這束光在通過液晶時，如果上下兩液晶片間沒有電壓，光的偏振方向會被液晶旋轉(zhuǎn)90，于是它能通過第二個偏振片。第二個偏振片的下面是反射鏡，光線被反射回來，這時液晶盒看起來是透明的。但如果在上下兩個電極間有一定大小的電壓時，液晶的性質(zhì)就改變了，旋光性消失，于是光線不能通過第二個偏振片，這個電極下的區(qū)域就變暗，于是就顯示出了數(shù)字。實(shí)驗(yàn)感想：物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的基礎(chǔ)性學(xué)科，所以實(shí)驗(yàn)對于物理的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。通過本次設(shè)計(jì)性試驗(yàn)，我學(xué)會了自主設(shè)計(jì)方案，解決問題的方法。在預(yù)習(xí)的過程中查找了