偏振光的研究和檢測

實(shí)驗(yàn)44偏振光的研究和檢測

班級(jí)：應(yīng)用物理偏振光的研究和檢測一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握光的偏振現(xiàn)象，學(xué)習(xí)產(chǎn)生和鑒別各種偏振光的方法。2.了解和掌握偏振片、1/4波片的作用及應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)儀器光學(xué)防震平臺(tái)，氦氖激光器及其電源，激光功率計(jì)，偏振片，1/4波片。三、實(shí)驗(yàn)原理光的偏振現(xiàn)象顯示了光的橫波性。光波是一種電磁波，在光與物質(zhì)相互作用時(shí)，起主要作用的是橫向振動(dòng)著的電矢量或光矢量，而振動(dòng)方向?qū)鞑シ较虻牟粚ΨQ性構(gòu)成光的各種偏振態(tài)。偏振光的研究和檢測(一)光的五種偏振態(tài)

光的偏振態(tài)通常分為自然光、部分偏振光、線偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光五種。自然光和部分偏振光二者均由大量取向各異、彼此無相位關(guān)聯(lián)的線偏振光組成，只不過自然光的光矢量相對于光的傳播方向具有對稱性，部分偏振光不具備軸對稱性，而存在某一優(yōu)勢方向。線偏振光、橢圓偏振光和圓偏振光均可以等效為振動(dòng)方向相互垂直、相互關(guān)聯(lián)的兩個(gè)線偏振光，這兩個(gè)線偏振光具有相同的傳播方向和頻率，兩者有確定的相位差。有當(dāng)δ=0,π時(shí)，上式描述的是線偏振光；當(dāng)δ=土π/2，Ax=Ay時(shí)，為圓偏振光；當(dāng)δ=土π/2,Ax不等于Ax時(shí)，為正橢圓偏振光；當(dāng)δ不等于土π/2,Ax不等于Ax時(shí)，為各種取向的斜橢圓偏振光。(二.)通過檢偏器后的透射光強(qiáng)

人眼僅對光的強(qiáng)弱變化敏感，而無法直接感知光的各種偏振態(tài)，必須借助檢偏器，研聲透射光強(qiáng)的孿化來判定光的偏振態(tài)。檢偏器(或起偏器)是二種只允許某一振動(dòng)方向光通過的光學(xué)器件，當(dāng)它用來產(chǎn)生線偏振光時(shí)稱為起偏器，用來檢驗(yàn)線偏振光時(shí)稱為檢偏器。常用的檢偏器有兩類：一類是利用材料對不同方向的電磁振動(dòng)具有選擇吸收特性的原理制成的，稱為偏振片；另一類是用雙折射晶體制成的特殊棱鏡,如尼科耳棱鏡,格蘭棱鏡等,這類棱鏡的透光率和偏振度遠(yuǎn)高于偏振片。在檢偏器上能夠讓電矢量充分透過的方向稱為透振方向，記作P，與P正交的方向上的電矢量將被強(qiáng)烈吸收而無法透過，稱為消光方向。偏振光的研究和檢測1，自然光通過檢偏器

由于自然光具有軸對稱性，將光強(qiáng)為Io的自然光中每一個(gè)光矢量都在x,y兩個(gè)方向上分解，因此有Ix=Iy=Io，這說明肉然光可以等效為等幅(Io/2)、無確定相位關(guān)系、阻取向任意的兩個(gè)正交的線偏振光。

如圖44-1所示,Ip-θ曲線應(yīng)為一條直線。2.線偏振光通過檢偏器——馬呂斯定律

馬呂斯定律指出，一束如圖44-2所示光強(qiáng)為Io的線偏振光，通過檢偏器的透射光強(qiáng)為Ip（θ）=IoCOS^2θ式中，θ為線偏振光的振動(dòng)方向與檢偏器的透振方向P之間的夾角，當(dāng)檢偏器旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，透射光強(qiáng)交替出現(xiàn)極大和消光各兩次，彼此相隔π/2。五種偏振光中，只有線偏振光入射時(shí)才會(huì)有“消光”現(xiàn)象。偏振光的研究和檢測3.部分偏振光通過檢偏器

部分偏振光具有一優(yōu)勢方向即極大值IM方向和一與其正交的極小值Im方向，以這兩個(gè)方向建立直角坐標(biāo)系，可以將部分偏振光分解為光強(qiáng)為IM和Im的兩個(gè)線偏振光，而且兩者間的相位差是完全隨機(jī)的。則任意透振方向P的透射光強(qiáng)Ip(θ)等于IM,Im按馬呂斯定律在θ方向的非相千疊加：式中θ為透振方向P與X軸之間的夾角，也可改寫成以β為參數(shù)，有

式中β為透振方向P與Y軸之間的夾角。由式(44-4)可知，部分偏振光也可以看成光強(qiáng)為2Im(x,y方向的光強(qiáng)均為Im)的自然光和光強(qiáng)為IM一Im的線偏振光之和，如圖44-4所示。當(dāng)檢偏器旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，透射光強(qiáng)交替出現(xiàn)極大和極小各兩次，彼此相隔π/2，但無“消光”現(xiàn)象。圖44-3的曲線形式上應(yīng)當(dāng)是自然光和線偏振光之和，即圖44-1和圖44-2兩條曲線的疊加。偏振光的研究和檢測4.橢圓偏振光通過檢偏器——偏振光的干涉

橢圓偏振光可用兩個(gè)正交、有固定相位差δ的線偏振光Ex=Axcoswt,Ey=Aycos(wt+δ)加以描述。如圖44-5所示，Ax、Ay是兩個(gè)正交振動(dòng)的振幅，分別為橢圓外切矩形的兩邊長之半，θ為透振方向P與x軸之間的夾角。兩線偏振光在P方向上的投影同頻、同方向，有確定的相位差，滿足相干條件，因此，透射光強(qiáng)等于二者光強(qiáng)的相干疊加：考慮到Ix=Ax^2，Iy=Ay^2，可得

(44-6)利用三角函數(shù)進(jìn)一步化簡上式，并且入射橢圓偏振光的總光強(qiáng)Io=Ix+Iy，可得(44-7)

其中(44-8)

當(dāng)δ=土π/2，即入射光為正橢圓偏振光時(shí)，由式(44-6)可知透射光強(qiáng)為(44-9)與式(44-3)比較，不難發(fā)現(xiàn)橢圓偏振光與部分偏振光相同，檢偏器旋轉(zhuǎn)一周，透射光強(qiáng)交替出現(xiàn)極大和極小各兩次，彼此相隔。π/2，無“消光”現(xiàn)象。因此，其透射光強(qiáng)曲線也應(yīng)與圖44-3(b)相似。

偏振光的研究和檢測(三)橢圓偏振光的檢測橢圓偏振光可以用一個(gè)起偏器和一個(gè)1/4波片產(chǎn)生，并利用檢偏器旋轉(zhuǎn)后的光強(qiáng)的變化來加以檢測(圖44-6)。1.波片

當(dāng)一束光人射到雙折射晶體表面上，進(jìn)入它們內(nèi)部的折射光有兩束：遵守折射定律的叫尋常光(o光)，不遵守折射定律的為非常光(e光)。在晶體中，存在0光、e光傳播速度相同的方向，稱該方向?yàn)楣廨S。將晶體制成片狀，且光軸與晶體表面平行，當(dāng)光進(jìn)入這樣的晶片后，O光和e光沿同一方向傳播，因二者傳播速度不同，經(jīng)過厚度為d的晶體后，O光和e光之間產(chǎn)生相位差

(44-10)

式中從為真空中的波長；No,Ne分別為晶體中0光和e光的折射率。這種能使振動(dòng)互相垂直的兩束偏振光產(chǎn)生一定相位差的晶片稱為波片。當(dāng)δ=(2k+1）π/2時(shí)，相當(dāng)于0光和e光的光程差為(2k+1）λ/4，這樣的晶片為1/4波片。

2.1/4波片的擺正

在透振方向相互垂直的起偏器P和檢偏器A之間(PA正交)，放一波片并旋轉(zhuǎn)一周，波片的e-O坐標(biāo)系會(huì)四次與P平行，被稱為波片擺正。波片擺正時(shí)，人射的線偏振光無法分解0光和e光，波片不起作用，出射光仍為原來P方向振動(dòng)的線偏振光，必與A正交而出現(xiàn)“消光”現(xiàn)象。

偏振光的研究和檢測四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.光路的共軸調(diào)節(jié)

將激光器、起偏器、檢偏器和激光功率計(jì)的探頭調(diào)整到同一高度，使激光束垂直入射到各光學(xué)元件，并使各光學(xué)元件的光心在一條直線上，檢査從檢偏器出射的光束是否已全部進(jìn)入激光功率計(jì)的探頭。激光功率計(jì)開始計(jì)數(shù)之前，應(yīng)先調(diào)零并選擇合適的功率擋。2.線偏振光的檢驗(yàn)

將起偏器的起偏角定在偏振方向?yàn)?”的位置，然后旋轉(zhuǎn)檢偏器找到光強(qiáng)最大的位置，記錄功率計(jì)的讀數(shù)，而后每隔30”記錄一次透射光強(qiáng)的數(shù)值，直到旋轉(zhuǎn)一周后出現(xiàn)兩次極大和兩次“消光”。畫出透射光強(qiáng)隨角度變化的曲線與理論曲線相比較，驗(yàn)證馬呂斯定律。3.1/4波片的擺正

旋轉(zhuǎn)檢偏器使PA正交，在起偏器與檢偏器之間放一1/4波片，調(diào)節(jié)波片使激光束通過其光心并與波片垂直；再旋轉(zhuǎn)波片，找到四次消光的位置，記錄每旋轉(zhuǎn)15°從檢偏器用射的光強(qiáng)，并畫出透射光強(qiáng)隨角度變化的曲線。4.橢圓與圓偏振光的檢測

在1/4波片擺正的基礎(chǔ)上，即正交偏振片處于“消光”狀態(tài)時(shí)，以波片的光軸位置作為0°線。

(1)橢圓偏振光的檢測

將1/4波片旋轉(zhuǎn)15°，即波片的光軸與起偏器的夾角為15°時(shí)，旋轉(zhuǎn)檢偏器，每隔15°記錄出射光強(qiáng)的讀數(shù)，觀察光強(qiáng)的變化，并畫出透射光強(qiáng)隨角度變化的曲線與理論曲線比較，分析可能產(chǎn)生誤差的來源。

(2)圓偏振光的檢測

將1/4波片旋轉(zhuǎn)45°，即波片的光軸與起偏器的夾角為45°時(shí)，旋轉(zhuǎn)檢偏器，每隔15°記錄出射光強(qiáng)的讀數(shù)，觀察光強(qiáng)的變化，并畫出透射光強(qiáng)隨角度變化的曲線與理論曲線比較，分析可能產(chǎn)生誤差的來源。

偏振光的研究和檢測五、注意事項(xiàng)

1.實(shí)驗(yàn)過程中為避免激光燒傷眼睛，不得以眼睛直視激光光束。2.在激光功率計(jì)讀取數(shù)據(jù)之前，應(yīng)首先選取合適的功率擋，并進(jìn)行調(diào)零。3.在光路調(diào)整的過程中，應(yīng)注意等高共軸，調(diào)整完后鎖定光具座。4.光路調(diào)整完成后。檢查激光功率計(jì)的探頭是否接收全部的出射光線。

六、思考題1.如何使用起偏器與波片獲得橢圓偏振光。

答：自然光入射起偏器和四分之一波片，起偏器的透光軸和波片光軸的夾角不等于45度，就可以得到橢圓偏振光。2.為什么在相互正交的起偏器與檢偏器之間加1/4波片后，原來的消光狀態(tài)變成有光輸出的狀態(tài)？從偏振光干涉的角度加以解釋。答：如果之間在兩個(gè)正交偏振片之間插入一塊偏振片，也會(huì)有光輸出，因?yàn)橹虚g的偏振片改變了振動(dòng)方向，加入四分之一波片道理類似，改變振動(dòng)方向，振動(dòng)的兩個(gè)分量先分解，加上相位差再合成，合成的結(jié)果是橢圓偏振光，會(huì)有光輸出。3.如何區(qū)分圓偏振光和橢圓偏振光？答：用偏振片進(jìn)行觀察，若光強(qiáng)隨偏振片的轉(zhuǎn)動(dòng)沒有變化，這束光是圓偏振光。這時(shí)在偏振片之前放1/4玻片，再轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片，如果出現(xiàn)兩次消光，則是圓偏振光，因?yàn)?/4玻片能把圓偏振光變?yōu)榫€偏振光。4.如何區(qū)分部分偏振光和線偏振光?答：用偏振片進(jìn)行觀察，若光強(qiáng)隨偏振片的轉(zhuǎn)動(dòng)有變化無消失則是部分偏振光，若出現(xiàn)兩次消光則為線偏振光。

偏振光的研究和檢測七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。1.線偏振光2.1/4波片3.橢圓偏振光角度0306090120150180210240270300330360光強(qiáng)00.451.512.171.660.6500.421.512.141.630.550角度0153045607590105120135150165180光強(qiáng)0.740.590.2100.210.620.810.530.1900.130.500.75角度195210225240255270285300315330345360光強(qiáng)0.640.2700.10.440.690.650.300.140.50.74角度0306090120150180210240270300330360光強(qiáng)0.080.340.991