1、偏振光學(xué)實(shí)驗(yàn)完整實(shí)驗(yàn)報(bào)告工物53 李哲 2015011783 16號(hào)1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?） 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：· 單色偏振光可以分解成兩個(gè)偏振方向垂直的線偏振光的疊加：與（其中是兩個(gè)偏振方向分量的相位延遲，為兩個(gè)光的振幅），由其中的就可以確定這個(gè)線偏振光的性質(zhì)?；蚓蜑榫€偏振光，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），而一般情況下是橢圓偏振光。· 上述式子通常描

2、述的是橢圓偏振光，而本實(shí)驗(yàn)通過測(cè)量橢圓的長軸方位角以及橢圓的短半軸與長半軸的比值對(duì)于橢圓偏振光進(jìn)行描述。其計(jì)算式是：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，在長軸的對(duì)應(yīng)方向最大，所以可以通過使這個(gè)橢圓偏振光通過一個(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偏振片。· 實(shí)驗(yàn)中的偏振片不是理想化的，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)

3、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。兩者的比值是消光比。· 對(duì)于起偏器而言，其并不是理想的偏振片，但是其消光比是在的量級(jí)，所以透過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：而完全非偏振光經(jīng)過兩個(gè)透射軸成角且主透射率相同的偏振器后，總透射率：· 實(shí)驗(yàn)中只需要測(cè)定兩個(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）就可以得到消光比：·（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

4、上式，也說明實(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)分量的光具有不同的傳播速度，當(dāng)通過一定厚度的這樣的延遲器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的光程差：，因此兩個(gè)軸的分量將會(huì)產(chǎn)生相位延遲。其計(jì)算值：· 振動(dòng)方向平行于快軸或者慢軸方向的偏振光經(jīng)過延遲器后，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，

5、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：入射一束方位角為的線偏振光，經(jīng)過玻片后，可以通過測(cè)得光強(qiáng)極值（通過硅光片通過光電效應(yīng)，產(chǎn)生的與光強(qiáng)成正比的光電流的測(cè)量）的比值，得：· 而且應(yīng)注意：當(dāng)時(shí)，由于，測(cè)量橢圓的長短軸之比會(huì)有較大的誤差。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：··· 由上式可以知，當(dāng)時(shí)，沒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，

6、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)，使棱鏡不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，然后可以調(diào)整P盤，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盤上的度盤方位度數(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分鐘后開始實(shí)驗(yàn)，并且在實(shí)驗(yàn)的過程中

7、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)玻片。為快軸大致方向已經(jīng)由白點(diǎn)標(biāo)出的玻片，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)量的的值。4.實(shí)驗(yàn)步驟：（1）打開激光器預(yù)熱5-10分鐘，保證在測(cè)量過程中，激光器產(chǎn)生激光的光強(qiáng)

8、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軸方向逆時(shí)針與水平方向夾角為這樣可以使光經(jīng)過起偏器后光強(qiáng)不是很小，影響實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行）。（2）調(diào)整起偏管以及檢偏管的方位，使激光從光源出發(fā)通過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)圓盤的內(nèi)圈，使小亮點(diǎn)與大亮斑重合，記錄下此時(shí)

9、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)屏，后旋轉(zhuǎn)平臺(tái)（帶動(dòng)棱鏡旋轉(zhuǎn)）約，然后通過不斷地微調(diào)入射角以及起偏器的方位角，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)，然后通過差值得到布儒斯特角（這樣通過差值的計(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）。而后在原來的裝置基礎(chǔ)上來回轉(zhuǎn)動(dòng)度盤，重復(fù)測(cè)量六次透射軸水平對(duì)應(yīng)的度盤的度數(shù)，并且取平均值作為透射軸水平時(shí)

10、P盤的方位角。并將P盤放置在平均值位置，然后撤去棱鏡，打開光強(qiáng)探測(cè)器，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器A所在的度盤使所測(cè)得光強(qiáng)為最小值，這個(gè)時(shí)候A盤與P盤的透光軸的方向相互垂直，記下A盤的度盤度數(shù)。（6） 測(cè)量消光比：這個(gè)時(shí)候保留P盤不轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)A盤依次記錄下透射光強(qiáng)的極大值和極小值。然后利用：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：當(dāng)兩個(gè)偏振片間的夾角分別為：計(jì)算出此時(shí)A盤所應(yīng)該對(duì)應(yīng)的角度（注意要在A盤對(duì)應(yīng)的盤的角度上加上90度，因?yàn)閮烧叱跏紶顟B(tài)透光軸是相互垂直的，所以加上90度使兩者水平），然后旋轉(zhuǎn)A盤，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)的大小）。然后做出曲線，探尋

11、其規(guī)律。（8）定波片的快軸方向：在P盤的一端裝上，然后使P盤與A盤調(diào)整到透光軸相互垂直的方向，然后旋轉(zhuǎn)，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)快軸度盤的示數(shù)。（9）線偏振光經(jīng)過0.25玻片：此時(shí)是觀測(cè)線偏振光通過0.25玻片后偏振態(tài)的改變，使起偏器與慢軸的夾角為時(shí)，先計(jì)算出起偏器所對(duì)應(yīng)的P盤應(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，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軸方位角以及橢圓偏振光長短軸相應(yīng)的比值。（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

12、直透過，定出其某一軸在豎直方向時(shí)的度盤示數(shù)。（11）觀測(cè)偏振光通過半玻片或者全玻片的現(xiàn)象：使快軸方向與某軸方向平行，而后扭動(dòng)P盤的方位角，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盤的度數(shù)的改變值可以知道偏振光等效通過的是半玻片或者全玻片。如果是通過的是等效的全玻片，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，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：通過全玻片偏振光的振動(dòng)方向不發(fā)生改變，通過半波片該光依然是偏振光，只

13、是偏振光的振動(dòng)方向發(fā)生改變，這可以通過A盤的轉(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：·當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤，發(fā)生消光現(xiàn)象時(shí)，盤對(duì)應(yīng)的示數(shù)是：·所以可以得到對(duì)應(yīng)的布儒斯特角：·所以由此可以算出棱鏡的折射率：·相對(duì)偏差：（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：·對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差：（6） 測(cè)消光比：（7）測(cè)量透射光強(qiáng)與兩偏振器夾角間的關(guān)系：夾角015304560A盤角度266.1281.1296.1311.1326.1光強(qiáng)8.9118.320

14、6.6424.3882.1508.3176.6864.45852.2310.0670.2500.5080.750夾角7580848790A盤角度341.1346.1350.1353.1356.1光強(qiáng)0.5470.2540.0780.0090.0030.5100.2720.0100.0270.0030.9430.9690.99820.99630.9999·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（上述兩條線完全重合了，所以只顯示了一條線）·由上述

15、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：·（8） 定波片快軸在垂直方向時(shí)度盤的示數(shù)：·（9） 線偏振光通過玻片：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格：0.022.545.067.543.0238.1260.6283.1305.6281.199.797.113.38.419166.4169252.8257.7247.16.0204.6373.1872.2843.1530.2611.8311.5700.1001.8430.0430.3950.4930.0440.58434.21070.13234.63075.29819.79345.000-19.72437.299·

16、··所以可以判斷當(dāng)入射的角度為43度，45度時(shí)，從其長軸的方位角以及其長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)，度盤的示數(shù)為：195°（11） 線偏振光通過半波片或全玻片：·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：0°15°30°45°238.1°253.1°268.1°283.1°176.3°204.2°217.5°230.5°-0.2°-2

17、8.1°-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：0°15°30°45°238.1°253.1°268.1°283.1°176.0°160.9°144.4°127.1°0.2°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，所以可以知道這個(gè)時(shí)候待測(cè)玻片的快軸是與已

18、知玻片的快軸方向平行。而第二個(gè)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過玻片的偏振光的方向是與原偏振光的振動(dòng)方向朝相同的方向變化，所以可以知道，其等效經(jīng)過的是一個(gè)全玻片，所以這個(gè)時(shí)候待測(cè)玻片的慢軸是與已知玻片的快軸方向平行。所以可以知道待測(cè)玻片的快軸垂直的時(shí)候，其相應(yīng)的度盤示數(shù)是：195°。5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)論：（1） 布儒斯特角的大小為：56°50，折射率n=1.53.（2） 消光比。（3） 通過數(shù)據(jù)的測(cè)定以及圖像的對(duì)比可以知道：光強(qiáng)與兩偏振器夾角的關(guān)系是：（4） 線偏振光通過四分之一玻片的時(shí)候：其偏振狀態(tài)會(huì)隨著振動(dòng)方向與玻片的快軸間的夾角改變而改變。當(dāng)角度接近于0的時(shí)候，還是線偏振光，當(dāng)角度接近于45°的時(shí)候近似為圓偏振光，其余情況都是橢圓偏振光。（5） 線偏振光通過半波片或者