偏振光實驗報告

實驗1.驗證馬呂斯定律實驗原理：某些雙折射晶體對于光振動垂直于光軸的線偏振光有強烈吸收，而對于光振動平行于光軸的線偏振光吸收很少（吸收。光，通過e光），這種對線偏振光的強烈的選擇吸收性質，叫做二向色性。具有二向色性的晶體叫做偏振片。圖2偏振片可作為起偏器。自然光通過偏振片后，變?yōu)檎駝用嫫叫杏谄衿廨S（透振方向），強度為自然光一半的線偏振光。如圖1、圖2所示： c圖2P1P2單色自然光線偏光線偏光圖1圖1中靠近光源的偏振片P為起偏器，設經過P后線偏振光11振幅為心〔圖2所示〕光強為10。P與P夾角為9，因此經P后00212的線偏振光振幅為A二Acos9，光強為I二A2cos29二Icos29,000此式為馬呂斯定律。實驗數據及圖形：::j三1-?■5312,10,2U115S捌19521025：：|:1::匚工::；.：!：實驗2.半波片，1/4波片作用實驗原理：偏振光垂直通過波片以后，按其振動方向〔或振動面〕分解為尋常光〔o光〕和非常光〔e光〕。它們具有相同的振動頻率和固定的相位差〔同波晶片的厚度成正比〕，假設將它們投影到同一方向，就能滿足相干條件，實現偏振光的干預。分振動面的干預裝置如圖3所示，M和N是兩個偏振片，C是波片，單色自然光通過M變成線偏振光，線偏振光在波片C中分解為o光和e光，最后投影在N上，形成干預?？紤]特殊情況，當M丄N時，即兩個偏振片的透振方向垂直時,出射光強為：I二紅(sin229)(1-cos5)；當皿〃“時，即兩個偏振丄4片的透振方向平行時，出射光強為：I=o(1-2sin29cos29+2sin29cos29cos5)。其中。為波片光軸〃2與M透振方向的夾角，6為o光和e光的總相位差〔同波晶片的厚度成正比〕改變0>6中的任何一個都可以改變屏幕上的光強。當6二〔2k+l〕n〔1/2波片〕時，cos6二-1,/=Isin220，丄 2出射光強最大，I=I(1-sin229).2，出射光強最??；當6//0=[〔2k+1〕n]/2 〔1/4波片〕時，cos6=0，I=0(sin229),I=亠(2-sin229)。丄4 〃 4特別地，利用1/4波片我們還可以得到圓偏振光和橢圓偏振光。當0=45度時，得到圓偏振光，此時讓偏振片N旋轉一周，屏幕上光強不變。一般情況下，得到的是橢圓偏振光，讓偏振片N旋轉一周，屏幕上的光斑“兩明兩暗〞。實驗結果：半波片實驗數據表：1騰赦曠|加觥熾| 辭出做|毬片每轉単曠桃-*久南動廠誡 30度 45度 加度 ”鍍 啊度晞動鞭廉 幀度 |9曠 |11曠 |15曠|l嗾常出飆觸牖動-薙甌檢偏器轉動徹輾檔觥1/4波片實驗數據：&轉動角度光強變優(yōu)現象結論1鍍2.9-》32?5->3.0->32.4橢圓偏振光30度3.5->29.8->8.3->28.4怖圓偏振光45度幾乎想等甜度11.2->33.9->11.2->34.5i偏振光花度4.4->42.9->4.3->40.9鵬掃光90度1.0->45.1->1.0->46.0線偏振光結論：線偏振光通過1/4波片后可能變成圓偏振光，橢圓偏振光也有可能仍是線偏振光。實驗3.旋光效應實驗原理：線偏振光通過某些物質的溶液后，偏振光的振動面將旋轉一定的角度，這種現象稱為旋光現象。旋轉的角度稱為該物質的旋光度。通常用旋光儀來測量物質的旋光度。溶液的旋光度與溶液中所含旋光物質的旋光能力、溶液的性質、溶液濃度、樣品管長度、溫度及光的波長等有關。當其它條件均固定時，旋光度與溶液濃度C呈線性關系即0=pc（5-1）比例常數與物質旋光能力、溶劑性質、樣品管長度、溫度及光的波長等有關，C為溶液的濃度。物質的旋光能力用比旋門丄光度即旋光率來度量，旋光率用下式表示： 九1-C（5-2）（5-2）式中，右上角的t表示實驗時溫度（單位：。C）,是指旋光儀采用的單色光源的波長（單位：nm）,0為測得的旋光度（0）,l為樣品管的長度（單位：dm）,C為溶液濃度（單位:g/100mL）。由（5-2）式可知：偏振光的振動面是隨著光在旋光物質中向前進行而逐漸旋轉的,因而振動面轉過角度0透過的長度l成正比。振動面轉過的角度0不僅與透過的長度l成正比,而且還與溶液濃度C成正比[14]。如果待測溶液濃度C和液柱長度1,只要測出旋光度0就可以計算出旋光率。如果液柱長度為l固定值,可依次改變溶液的濃度C,就可以測得相應旋光度0。并作旋光度與濃度的關系直線0~C，從直線斜率、液樁長度1及溶液濃度C,可計算出該物質的旋光率；同樣,也可以測量旋光性溶液的旋光度e,確定溶液的濃度c。旋光性物質還有右旋和左旋之分。當面對光射來方向觀察，如果振動面按順時針方向旋轉，那么稱右旋物質；如果振動面向逆時針方向旋轉,稱左旋物質。測量葡萄糖水溶液的濃度將已經配置好的裝有不同的容積克濃度（單位：g/100mL）的葡萄糖。水溶液的樣品管放到樣品架上，測出不同濃度 C下旋光度值。并同時記錄測量環(huán)境溫度和記錄激光波長葡萄糖水溶液的濃度配制成C、C/2、C/4、C/8，0（純0000水，濃度為零），共5種試樣，濃度C0取30%左右為宜。分別將不用濃度溶液注入相同長度的樣品試管中。測量不同濃度樣品的旋光度（屢次測量取平均）。用最小二乘法對旋光度、溶液濃度進行直線擬合（可以將C作為1個單位考慮），計算出葡萄0糖的旋光率。也可以以溶液濃度為橫坐標，旋光度為縱坐標，繪出葡萄糖溶液的旋光直線，由此直線斜率代入公式（5-2），求得葡萄糖的旋光率 6500數據記錄及處理濃度平均施光度123%54?64?S6%9?59?89?69%141514.512%202120.515%24-52524.8圖形實驗4.光彈效應光彈性試驗是應用光學方法研究受力構件中應力分布情況的試驗，在光測彈性儀上進行，先用具有雙折射性能的透明材料制成和實際構件形狀相似的模型，受力后，以偏振光透過模型，由于應力的存在，產生光的暫時雙折射現象，再透過分析鏡后產生光的干預，在屏幕上顯示出具有明暗條紋的映象，根據它即可推算出構件內的應力分布情況，所以這種方法對形狀復雜的構件尤為適用。光彈性實驗方法是一種光學的應力測量方法，因為測量是全域性的，所以具有直觀性強，能有效而準確地確定受力模型各點的主應力差和主應力方向，并能計算出各點的主應力數值。尤其對構件應力集中系數確實定，光彈性試驗法顯得特別方便和有效工程實際中有很多構件，例如工業(yè)中的各種機器零件，它們的形狀很不規(guī)那么，載荷情況也很復雜，對這些構件的應力進行理論分析有時非常困難，往往需要實驗的方法來解決，光彈性試驗就是其中比擬直觀有效的一種解決方法。實驗原理光彈性試驗是應用光學方法研究受力構件中應力分布情況的試驗，在光測彈性儀上進行，先用具有雙折射性能的透明材料制成和實際構件形狀相似的模型，受力后，以偏振光透過模型，由于應力的存在，產生光的暫時雙折射現象，再透過分析鏡后產生光的干預，在屏幕上顯示出具有明暗條紋的映象，根據它即可推算出構件內的應力分布情況，所以這種方法對形狀復雜的構件尤為適用。圖1光彈性試驗的光學效應示意圖如圖1所示，自然光通過偏振器成為平面偏振光〔在Al平面中〕，平面偏振光垂直地射在模型上某一0點，如果模型未受力，那么光線通過后并無改變，但如果0點有應力，這時將出現暫時雙折射現象，如果圖0點的二個主應力o1和o2方向，那么平面偏振光通過受力模型0點后，分解成二個與o1及o2方向一致的平面偏振光，二者之間產生一光程差6,光程差與主應力差〔o1-o2〕及模型厚度t成正比，即：8=kt(o1-o2)式中k為光學常數，與模型材料及光的性質有關。分解了的二束光線通過分析器后重新在BB平面內振動，這樣就產生光的于涉現象。我們知道由分析器出來的光線強度兀I=Isin2(2a)sin2(兀8/九)其中入為光的波長，I為偏振器與模型間偏振光的強度，a為偏振平面A1與主應力o1的夾角。由上式可見，光強I為零時有以下四種情況：

1=0,這與實際情況不符，因為只有在無光源時I才會是零。6=0,由公式6=ktQ1-c2)可知〔ol-o2〕=0,即o1=o2,符合這些條件的點稱為各向同性點。如果o1=o2=0那么稱為零應力點,這種點在模型上皆為黑點〔因為光強等于零〕,例如純彎曲梁上中性軸上各點o1=o2=0,故模型中性層處為一條黑線。sin(2a)=0,即a=n兀/2(n=0,1,2,3……)這說明模型上某點主應力方向與偏振鏡光軸重合,模型上也呈黑點,這類黑點構成的連續(xù)黑線稱為等傾線,等傾線上各點的主應力方向都相同,而且偏振鏡光軸的方向也就是主應力的方向。sin兀6/九二0，以公式6=kt(o1-o2)代人，那么sin(兀/九)kt(o1-o2)=0，于是可得o1-o2=n九/kt起偏鏡 ? "圖2圓偏振光場示意圖o1-o2=nf/t(n=0,1,2,3……)上式說明，當模型中某點的主應力差值為f/t的整數倍時，那么此點在模型上呈黑點，當主應力差為f/t的某同一整數倍的各個暗點，構成連續(xù)的黑線稱為等差線〔在此線上各點的主應力差均相等〕。由于應力分布的連續(xù)性，等差線不僅是連續(xù)的，而且它們之間還按一定的次序排列，對應于n=l的等差線稱為一級等差線或稱一級條紋，對應于n=2的等差線稱為二級等差線或二級條紋，依次類推，其中n稱為條紋序數，以上是根據光源用單色光講的。如果光源用白光，那么模型上具有相同主應力差的各點那么形成顏色相同的光帶，所以這時的等差線又稱為等色線。由以上討論可知，根據模型中出現的各向同性點、零應力點、等傾線、等差線〔等色線〕，借助于一些分析計算，就能求出模型中各點應力的大小和方向。從上述根本原理可知，在使用單色光源時，等傾線與等差線都呈黑色，不易識別，為了消除等傾線以獲得清晰的等差線圖，在光彈性儀兩偏振鏡之間裝上二塊1／4波長片，形成圓偏振光場，可把等傾線消除，只剩下等差線，圓偏振光場如圖2所示。圖3-1對徑受壓圓盤等差線圖 圖3-2對徑受壓圓盤等傾線圖觀察對徑受壓圓盤的等差線和等傾線，分別如圖3-1和3-2所示。準備實驗：光路調節(jié)先將光源、起偏器、檢偏器、白屏依次放在導軌上，翻開白光光源，仔細調節(jié)各個器件的高度，使得整個光路高度比擬適宜。先確定起偏器為任意偏振方向，然后調節(jié)檢偏器偏振方向，使其正交，即通過兩個偏振片后的光強為最弱。然后調整兩個偏振片的距離。觀察實驗1：觀察光彈材料光彈特性將光彈材料放入已經調整好偏振方向的兩偏振片中間，調節(jié)光彈材料的高度為適宜。觀察此時白屏的圖像。然后擰緊光彈材料固定架上端的螺母，給光彈材料施加應力，觀察此時白屏的圖像，注意等差線〔等色線〕和等傾線的出現。本實驗為驗證性試驗，沒有試驗數據。在觀察過程中出現實驗現象即可。實驗5.電光調制實驗【實驗目的】1、掌握晶體電光調制的原理和實驗方法；2、學會用實驗裝置測量晶體的半波電壓，繪制晶體特性曲線，計算電光晶體的消光比和透射率?！緝x器和裝置】電光調制實驗系統由光路與電路兩大單元組成，如圖1所示：

1"號片檢ftiJK圖1電光調制實驗系統結構/WAA1"號片檢ftiJK圖1電光調制實驗系統結構/WAAiU左電ibt電85光強凰示I電itth實驗原理】某些晶體在外加電場的作用下，其折射率隨外加電場的改變而發(fā)生變化的現象稱為電光效應，利用這一效應可以對透過介質的光束進行幅度，相位或頻率的調制，構成電光調制器。電光效應分為兩種類型：（1） 一級電光（泡克爾斯一一Pockels）效應，介質折射率變化正比于電場強度。（2） 二級電光（克爾一Kerr）效應，介質折射率變化與電場強度的平方成正比。本實驗使用鈮酸理〔LiNbO3〕晶體作電光介質，組成橫向調制（外加電場與光傳播方向垂直）的一級電光效應。圖3橫向電光效應示意圖如圖3所示，入射光方向平行于晶體光軸（Z軸方向），在平行于X軸的外加電場（E）作用下，晶體的主軸X軸和Y軸繞Z軸旋轉45。，形成新的主軸X'軸一Y'軸(Z軸不變)，它們的感生折射率差為An,它正比于所施加的電場強度E：An=n3rE0式中r為與晶體結構及溫度有關的參量，稱為電光系數。n0為晶體對尋常光的折射率。當一束線偏振光從長度為1、厚度為d的晶體中出射時，由于晶體折射率的差異而使光波經晶體后出射光的兩振動分量會產生附加的相位差，它是外加電場E的函數：￡2兀A72兀廠2兀(l 小0=Anl二，、n3rE二，、n3r—U (1)九 九0九0(d丿式中九為入射光波的波長；同時為測量方便起見，電場強度用晶體兩面極間的電壓來表示，即U=Ed。當相位差0=兀時，所加電壓九d zxU=U= (2)兀 2n3rl0u兀稱為半波電壓，它是一個用以表征電光調制電壓對相位差影響的重要物理量。由(2)式可見，半波電壓U兀決定于入射光的波長九、晶體材料和它的幾何尺寸。由(1)、(2)式可得：0(U)=?！?0 (3)U0兀式中00為u=o時的相位差值，它與晶體材料和切割的方式有關，對加工良好的純潔晶體而言00=0。圖4為電光調制器的工作原理圖。由激光器發(fā)出的激光經起偏器P后只透射光波中平行其透振

方向的振動分量，當該偏振光IP垂直于電光晶體的通光外表入射時，如將光束分解成兩個線偏振光，經過晶體后其X分量與Y分量的相差為§（U）,然后光束再經檢偏器A,產生光強為IA的出射光。當起偏器與檢偏器的光軸正交（A丄P）時，根據偏振原理可求得輸出光強為：圖4電光調制器工作原理二I二Ip血也）沁〕竽(4)式中a=e-0，為P與X兩光軸間的夾角。Px(5)假設取45。。，這時U對IA的調制作用最大，并且(5)再由〔3〕式可得=Isin2P于是可畫出輸出光強IA與相位差§〔或外加電壓U〕的關系曲線,即iA?§〔U〕或IA~U如下：—Ur—51 U-/2Uw SLJw u圖5光強與相位差〔或電壓〕間的關系由此可見：當§(U)=2k兀(或U=2kU兀) (k=0,±1,±2,…)時，IA=0當§(U)=2k兀+1或U=(2k+1)U兀時，IA=Ip當§(U)為其它值時，IA在0~Ip之間變化。由于晶體受材料的缺陷和加工工藝的限制,光束通過晶體時還會受晶體的吸收和散射，使兩振動分量傳播方向不完全重合，出射光截面也就不能重疊起來。于是，即使在兩偏振片處于正交狀態(tài)，且在-0二±45Px的條件下，當外加電壓U=0時，透射光強卻不為0,即IA=Iminh0Aminu=q時，透射光強卻不為Ip,即ia=ImaxHip由此需要引入另外兩個特征參量：消光比M=嚴 透射率T=2嚴m(xù)in 0式中，Io為移去電光晶體后轉動檢偏器A得到的輸出光強最大值。M愈大，T愈接近于1,表示晶體的電光性能愈佳。半波電壓U兀、消光比M,透光率T是表征電光介質品質的三個特征參量。從圖5可見，相位差在§=兀/2或（U=q/2）附近時，光強IA與相位差5（或電壓U）呈線性關系，故從調制的實際意義上來說，電光調制器的工作點通常就選在該處附近。圖6為外加偏置直流電壓與交變電信號時光強調制的輸出波形圖。由圖6可見，選擇工作點②（U=U兀/2）時，輸出波形最大且不失真。選擇工作點①（U=0）或③（U=U兀）時，輸出波形小且嚴重失真，同時輸出信號的頻率為調制頻率的兩倍。圖6選擇不同工作點時的輸出波形工作點的偏置可通過在光路中插入一個九/4波片其透光軸平行于電光晶體X軸（相當于附加一個固定相差§=兀/2）作為"光偏置〞。但也可以加直流電壓來實現。實驗數據及結論：

I0=3.80V；|：臣〕：:]E：；||H:：I：忙忙二J；7；正向偏壓：反相偏壓：T〕￡1：!：I0=3.80V；|：臣〕：:]E：；||H:：I：忙忙二J；7；正向偏壓：反相偏壓：T〕￡1：!：■：■/：i.：：i□Matlab仿真圖：消光比：M=1.83/0.09=20.3透射率：T=1.83/3.80=0.482半波電壓：U=528V。實驗小結：實驗的關鍵在于光路的準直，如果光路不準直，實驗將無法完成。實驗6.液晶的電光效應實驗原理液晶態(tài)是一種介于液體和晶體之間的中間態(tài)，既有液體的流動性、粘度、形變等機械性質，又有晶體的熱、光、電、磁等物理性質。液晶與液體、晶體之間的區(qū)別是：液體是各向同性的，分子取向無序；液晶分子有取向序，但無位置序；晶體那么既有取向序又有位置序。就形成液晶方式而言，液晶可分為熱致液晶和溶致液晶。熱致液晶又可分為近晶相、向列相和膽甾相。其中向列相液晶是液晶顯示器件的主要材料[13]。接著液晶對于晶電的光效應有如下認識：液晶分子是在形狀、介電常數、折射率及電導率上具有各向異性特性的物質，如果對這樣的物質施加電場(電流)，隨著液晶分子取向結構發(fā)生變化，它的光學特性也隨之變化，這就是通常說的液晶的電光效應。液晶的電光效應種類繁多，主要有動態(tài)散射型(DS)、扭曲向列相型(TN)、超扭曲向列相型(STN)、有源矩陣液晶顯示(TFT)、電控雙折射(ECB)等。其中應用較廣的有：TFT型——一主要用于液晶電視、筆記本電腦等高檔產品； STN型2——主要用于 屏幕等中檔產品；TN型 主要用于電子表、計算器、儀器儀表、家用電器等中低檔產品，是目前應用最普遍的液晶顯示器件。TN型液晶顯示器件顯示原理較簡單，是STN、TFT等顯示方式的根底。本儀器所使用的液晶樣品即為TN型。無外電場作用時，由于可見光波長遠小于向列相液晶的扭曲螺距，當線偏振光垂直入射時，假設偏振方向與液晶盒上外表分子取向相同，那么線偏振光將隨液晶分子軸方向逐漸旋轉90o，平行于液晶盒下外表分子軸方向射出；假設入射線偏振光偏振方向垂直于上外表分子軸方向，出射時，線偏振光方向亦垂直于下外表液晶分子軸；當以其他線偏振光方向入射時，那么根據平行分量和垂直分量的相位差，以橢圓、圓或直線等某種偏振光形式射出。對液晶盒施加電壓，當到達某一數值時，液晶分子長軸開始沿電場方向傾斜，電壓繼續(xù)增加到另一數值時，除附著在液

晶盒上下外表的液晶分子外，所有液晶分子長軸都按電場方向進行重排列，TN型液晶盒90o旋光性隨之消失。人射自燃光電腹戦艇晶-晶盒上下外表的液晶分子外，所有液晶分子長軸都按電場方向進行重排列，TN型液晶盒90o旋光性隨之消失。人射自燃光電腹戦艇晶-人射自憾光r-一■H.遁電時不通電時械晶透過光圖6-1a.TN型器件分子排布與透過光示意圖[13]C軸品冃于無蚯-門?口砒C軸品冃于無蚯-門?口砒r?TH-LJCDMT-圖6-1b.TN型電光效應示意假設將液晶盒放在兩片平行偏振片之間，其偏振方向與上外表液晶分子取向相同。不加電壓時，入射光通過起偏器形成的線偏振光，經過液晶盒后偏振方向隨液晶分子軸旋轉 900，不能通過檢偏器；施加電壓后，透過檢偏器的光強與施加在液晶盒上電壓大小的關系見圖6-1；其中縱坐標為透光強度，橫坐標為外加電壓。最大透光強度的10%所對應的外加電壓值稱為閾值電壓（uth），標志了液晶電光效應有可觀察反響的開始（或稱起輝），閾值電壓小，是電光效應好的一個重要指標。最大透光強度的90%對應的外加電壓值稱為飽和電壓（Ur），標志了獲得最大比照度所需的外加電壓數值，Ur小那么易獲得良好的顯示效果，且降低顯示功耗，對顯示壽命有利。比照度Dr=Imax/Imin，其中Imax為最大觀察（接收）亮度（照度），打口為最TN型液晶顯示器件結構參考圖6-2，液晶盒上下玻璃片的外側均貼有偏光片，其中上外表所附偏振片的偏振方向總是與上外表分子取向相同。自然光入射后，經過偏振片形成與上外表分子取向相同的線偏振先，入射液晶盒后，偏振方向隨液晶分子長軸旋轉900，以平行于下外表分子取向的線偏振光射出液晶盒。假設下外表所附偏振片偏振方向與下外表分子取向垂直（即與上外表平行），那么為黑底白字的常黑型，不通電時，光不能透過顯示器（為黑態(tài)），通