偏振光實驗報告

1.驗證馬呂斯定律試驗原理：某些雙折射晶體對于光振動垂直于光軸的線偏振oe做二向色性。具有二向色性的晶體叫做偏振片。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? 22P P1 2

A00θ Acosθ0單色自然光線偏光線偏光單色自然光線偏光線偏光11P1

P1

后線偏振光

〔2IPP夾角為P后0 0 2 1 2的線偏振光振幅為A A0

cosIA2cos2I0

cos2,此式為馬呂斯定律。1從圖形中可以看出符合余弦定理，數(shù)據(jù)正確。2.半波片，1/4試驗原理：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〕和格外光〔e。它們具有一樣的振動頻率和固定的相位差〔同波晶片的厚度成正比影到同一方向，就能滿足相干條件，實現(xiàn)偏振光的干預(yù)。CCoeNM N單色自然光I0偏振片 波片偏振片圖3分振動面干預(yù)裝置考慮特別狀況，當M⊥N時，即兩個偏振片的透振方向垂直時，I出射光強為：I

0(sin22)(1cos；當M∥N4片的透振方向平行時，出射光強為：20I I0

(12sin2cos22sin2cos2cosθ為波片光軸// 2M，δoe〔同波晶片的厚度成正比θδ中的任何一個都可以轉(zhuǎn)變屏幕上的光強。I當波片時

0sin22，2出射光強最大，I//

I(1sin22) 2，出射光強最??；當δ0=[〔2k+1〕π]/2〔1/4波片〕時，cosδ=0，0I I (sin I (2sin 2。02 0 2 4 // 41/4θ=45N幕上光強不變。一般狀況下，得到的是橢圓偏振光，讓偏振片N試驗結(jié)果：半波片試驗數(shù)據(jù)表：1/4波片試驗數(shù)據(jù)：1/43也有可能仍是線偏振光。3.旋光效應(yīng)均固定時，旋光度與溶液濃度CC(5-1)比例常數(shù)與物質(zhì)旋光力量、溶劑性質(zhì)、樣品管長度、溫度及光的波長等有關(guān)，

lC(5-2)(5-2)t指旋光儀承受的單色光源的波長(單位：nm)，θ為測得的旋光度(0)，ldm)，Cg/100mL)由(5-2)偏振光的振動面是隨著光在旋光物質(zhì)中向前進展而漸漸旋轉(zhuǎn)的，因而振動面轉(zhuǎn)過角度透過的長度l面轉(zhuǎn)過的角度θ不僅與透過的長度lC[14]。假設(shè)待測溶液濃度Cl，只要測出旋光度θ就可以計算出旋光率。假設(shè)液柱長度為l依次轉(zhuǎn)變?nèi)芤旱臐舛菴，就可以測得相應(yīng)旋光度θ。并作旋光度與濃度的關(guān)系直線θ~C，從直線斜率、液樁長度lC，可計算出該物質(zhì)的旋光率；同樣，也可以測量旋光性4溶液的旋光度θ，確定溶液的濃度C。旋光性物質(zhì)還有右旋和左旋之分。當面對光射來方向觀看，假設(shè)振動面按順時針方向旋轉(zhuǎn)，則稱右旋物質(zhì)；假設(shè)振動面對逆時針方向旋轉(zhuǎn)，稱左旋物質(zhì)。測量葡萄糖水溶液的濃度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 C0

、C/2、C0

/4、C0

/8，0(純5C030%將不用濃度溶液注入一樣長度的樣品試管中。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C0

1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 數(shù)據(jù)記錄及處理

[ ]t6500。圖 形 ：54.光彈效應(yīng)為適用。光彈性試驗方法是一種光學(xué)的應(yīng)力測量方法，由于測量是全域性的，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(yīng)力差和主應(yīng)力方向，并能計算出各點的主應(yīng)力數(shù)值。尤其工程實際中有很多構(gòu)件，例如工業(yè)中的各種機器零件，它們的形狀很不規(guī)章，載荷狀況也很簡單，對這些構(gòu)件的應(yīng)力進展理論分析有時格外困難，往往需要試驗的方法來解決，光彈性試驗就是其中比較直觀有效的一種解決方法。試驗原理6為適用。圖1光彈性試驗的光學(xué)效應(yīng)示意圖如圖1所示，自然光通過偏振器成為平面偏振光〔在A1平面中〕，平面偏振光垂直地射在模型上某一O點，假設(shè)模型未受力，則光線O假設(shè)圖O點的二個主應(yīng)力1和2方向，則平面偏振光通過受力模型O點后，分解成二個與1及2方向全都的平面偏振光，二者之間產(chǎn)生一光程差δ，光程差與主應(yīng)力差〔1-2〕及模型厚度t成正比，即：kt(12)式中k為光學(xué)常數(shù)，與模型材料及光的性質(zhì)有關(guān)。分解了的二束光BB我們知道由分析器出來的光線強度 其中λ為光的波長，I為偏振器與模型間偏振光的強度，α為偏振平面A1與主應(yīng)力1I為零時有以下四種狀況：7①I=0，這與實際狀況不符，由于只有在無光源時I才會是零。②δ=0，由公式kt(12)可知〔1-2〕=0，即12，符合這些條件的點稱為各向同性點。假設(shè)1=20則稱為零應(yīng)力點，這種點在模型上皆為黑點〔由于光強等于零純彎曲梁上中性軸上各點1=20，故模型中性層處為一條黑線。方向與偏振鏡光軸重合，模型上也呈黑點，這類黑點構(gòu)成的連續(xù)黑線稱為等傾線，等傾線上各點的主應(yīng)力方向都一樣，而且偏振鏡光軸的方向也就是主應(yīng)力的方向。④sin/0，以公式kt(12)代人，則sin(/)kt(12)0，于是可得12n/kt圖2圓偏振光場示意圖12nf/t (n=0,1,2,3……)f/tf/t連續(xù)的黑線稱為等差線〔在此線上各點的主應(yīng)力差均相等〕8于應(yīng)力分布的連續(xù)性，等差線不僅是連續(xù)的，而且它們之間還按肯定的次序排列，對應(yīng)于n=l的等差線稱為一級等差線或稱一級條紋，對應(yīng)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(shù)，以上是依據(jù)光源用單色光講的。假設(shè)光源用消滅的各向同性點、零應(yīng)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(yīng)力的大小和方向。1／4波長片，形成圓偏振光場，可把等傾線消退，只剩下等差線，圓偏振光場如圖2所示。9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看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。預(yù)備試驗：光路調(diào)整距離。觀看試驗1：觀看光彈材料光彈特性留意等差線〔等色線〕和等傾線的消滅。象即可。5.電光調(diào)制試驗【試驗?zāi)康摹?、把握晶體電光調(diào)制的原理和試驗方法；2、學(xué)會用試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。【儀器和裝置】1所示：10圖1 電光調(diào)制試驗系統(tǒng)構(gòu)造【試驗原理】發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)，利用這一效應(yīng)可以對透過介質(zhì)的光束進展幅度，相位或頻率的調(diào)制，構(gòu)成電光調(diào)制器。電光效應(yīng)分為兩種類型：一級電光(泡克爾斯一—Pockels)效應(yīng)，介質(zhì)折射率變化正比于電場強度。(Kerr)效應(yīng)，介質(zhì)折射率變化與電場強度的平方成正比。本試驗使用鈮酸理〔LiNbO3〕晶體作電光介質(zhì)，組成橫向調(diào)制(外加電場與光傳播方向垂直)的一級電光效應(yīng)。圖3 橫向電光效應(yīng)示意圖X軸的外加電場(E)XYZ軸旋1(Z軸不變)，它們的感生折nE：nn3rE0式中r為與晶體構(gòu)造及溫度有關(guān)的參量，稱為電光系數(shù)。n0為晶體對尋常光的折射率。d的晶體中出射時，由于晶體折射率的差異而使光波經(jīng)晶體后出射光的兩振動重量會產(chǎn)生E的函數(shù)：2 2

2 l nl n3rE

n3r U (1)

0 d式中為入射光波的波長；同時為測量便利起見，電場強度用U=Ed。＝時，所加電壓

d

〔2〕 2n3rl0U稱為半波電壓，它是一個用以表征電光調(diào)制電壓對相位差U打算于入射光的波長、晶體材料和它的幾何尺寸。由(1)、(2)式可得：U

〔3〕關(guān)，對加工良好的純潔晶體而言0＝0。4為電光調(diào)制器的工作原理圖。由激光器發(fā)出的激光經(jīng)起偏器P后只透射光波中平行其透振12IP垂直于電光晶體的通光外表入射XY重量AIA的出射輸出光強為：I IA

圖4 電光調(diào)制器工作原理 2

(4)式中 ，為P與X兩光軸間的夾角。P xUIA的調(diào)制作用最大，并且(U)IAIPsin22 (5)IA〔3〕式可得

U I I sin2 A P

2U U〕的關(guān)系曲線，13圖5 光強與相位差〔或電壓〕間的關(guān)系由此可見：當(U)＝2k (或U＝2kU) (k=0，1, 2，)時，IA=0當(U)＝2k+1U＝(2k+1)U時，IA=IP為其它值時，出射光截面也就不能重疊起來。 45P x的條件下，0IA=Imin0，即ImaxIP由此需要引入另外兩個特征參量：I I消光比

M Imin

透射率T

maxI0式中，IoA得到的輸出光強最14大值。M愈大，T1，表示晶體的電光性能愈佳。半波電壓UM，T是表征電光介質(zhì)品質(zhì)的三個特征參量。＝/2或(U＝U/2)IA與相位差(或電壓U)6為外加偏置直流電壓與交變電信號時間強調(diào)制的輸出波形圖。/2)時，輸出波形最大且不失真。(U＝0)(U＝U)時，輸出波形小且嚴峻失真，同時輸出信號的頻率為調(diào)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／4波片其透光軸平軸)試驗數(shù)據(jù)及結(jié)論：15I =3.80V0正向偏壓：反相偏壓：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。將無法完成。6.液晶的電光效應(yīng)試驗原理16液晶態(tài)是一種介于液體和晶體之間的中間態(tài)，既有液體的流淌性、粘度、形變等機械性質(zhì)，又有晶體的熱、光、電、磁等物理性質(zhì)。液晶與液體、晶體之間的區(qū)分是：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；晶體則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(yīng)有如下生疏：液晶分子是在外形、介電常數(shù)、折射率及電導(dǎo)率上具有各向異性特性的物質(zhì)，假設(shè)對這樣的物質(zhì)施加電場 (電流)，隨著液晶分子取向構(gòu)造發(fā)生變化，它的光學(xué)特性也隨之變化，這就是通常說的液晶的電光效應(yīng)。液晶的電光效應(yīng)種類繁多，主要有動態(tài)散射型(DS)、扭曲(TN)(STN)、有源矩陣液晶顯示(TFT)、電控雙折射(ECB)等。其中應(yīng)用較廣的有：TFT型───主要用于液晶電視、筆記本電腦等高檔產(chǎn)品；STN2───主要用于手機屏幕等中檔產(chǎn)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(chǎn)品，是目前應(yīng)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潔，是STN、TFT等顯示方式的根底。本儀器所使用的液晶樣品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(shè)偏振方向與液晶旋轉(zhuǎn)90o，平行于液晶盒下外表分子軸方向射出；假設(shè)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，則依據(jù)平行重量和垂直重量的相位差，以橢圓、圓或直線等某種偏振光形式射出。沿電場方向傾斜，電壓連續(xù)增加到另一數(shù)值時，除附著在液17TN型液晶盒90o旋光性隨之消逝。6-1a.TN圖[13]6-1b.TN假設(shè)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一樣。不加電壓時，入射光通過起偏器形成的線偏振光，經(jīng)過液晶盒后偏振方向隨液晶分子軸旋轉(zhuǎn) 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(guān)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(yīng)的外加電壓值稱為閾值電壓(Uth)，標志了液晶電光效應(yīng)有可觀看反響的開頭 (或稱起輝)，閾值電壓小，是電光效應(yīng)好的一個重要指標。最大透光強度的90%對應(yīng)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(shù)值，Ur小則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18Dr=Imax/Imin，其中Imax(接收)亮度(照度)，Imin為最小亮度。陡度β=Ur/Uth即飽和電壓與閾值電壓之比。6-2液晶電光效應(yīng)參考圖[13]型液晶顯示器件構(gòu)造參考圖6-2外側(cè)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一樣。自然光入射后，經(jīng)過偏振片形成與上外表分子取向一樣的線偏振先，入射液晶盒后，偏振方向隨液晶分子長軸旋轉(zhuǎn)900，以平行于下外表分子取向的線偏振光射出液晶盒。假設(shè)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)，則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))900旋光性消逝，光可通過顯示器(為白態(tài))；假設(shè)偏振片與下外表分子取向一樣，則為白底黑6-2所示構(gòu)造。TN-LCD可用于顯示數(shù)字、簡潔字符及圖案等，有選擇的在各段電極上施加電壓，就可以顯示出不同的圖案。試驗儀器液晶盒()(天津市港東科技進展)、中心波長為632.8nm的氦氖激光器(天津市港東科技進展)以及配套的光電接收器(最小0.0