實驗44偏振光的研究和檢測

班級：應(yīng)用物理1301姓名：李鵬飛學號：131140121一、實驗?zāi)康?.掌握光的偏振現(xiàn)象，學習產(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、實驗儀器光學防震平臺，氦氖激光器及其電源，激光功率計，偏振片，1/4波片。三、實驗原理光的偏振現(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，起主要作用的是橫向振動著的電矢量或光矢量，而振動方向?qū)鞑シ较虻牟粚ΨQ性構(gòu)成光的各種偏振態(tài)。(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方向相互垂直、相互關(guān)聯(lián)的兩個線偏振光，這兩個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δ=0,π時，上式描述的是線偏振光；當δ=土π/2，Ax=Ay時，為圓偏振光；當δ=土π/2,Ax不等于Ax時，為正橢圓偏振光；當δ不等于土π/2,Ax不等于Ax時，為各種取向的斜橢圓偏振光。(二.)通過檢偏器后的透射光強

人眼僅對光的強弱變化敏感，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方向光通過的光學器件，當它用來產(chǎn)生線偏振光時稱為起偏器，用來檢驗線偏振光時稱為檢偏器。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烈吸收而無法透過，稱為消光方向。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，以這兩個方向建立直角坐標系，可以將部分偏振光分解為光強為IM和Im的兩個線偏振光，而且兩者間的相位差是完全隨機的。則任意透振方向P的透射光強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為2Im(x,y方向的光強均為Im)的自然光和光強為IM一Im的線偏振光之和，如圖44-4所示。當檢偏器旋轉(zhuǎn)一周時，透射光強交替出現(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。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是兩個正交振動的振幅，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，透射光強等于二者光強的相干疊加：考慮到Ix=Ax^2，Iy=Ay^2，可得

(44-6)利用三角函數(shù)進一步化簡上式，并且入射橢圓偏振光的總光強Io=Ix+Iy，可得(44-7)

其中(44-8)

當δ=土π/2，即入射光為正橢圓偏振光時，由式(44-6)可知透射光強為(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，其透射光強曲線也應(yīng)與圖44-3(b)相似。

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

當一束光人射到雙折射晶體表面上，進入它們內(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，稱該方向為光軸。將晶體制成片狀，且光軸與晶體表面平行，當光進入這樣的晶片后，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δ=(2k+1）π/2時，相當于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坐標系會四次與P平行，被稱為波片擺正。波片擺正時，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方向振動的線偏振光，必與A正交而出現(xiàn)“消光”現(xiàn)象。

四、實驗內(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的探頭調(diào)整到同一高度，使激光束垂直入射到各光學元件，并使各光學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入激光功率計的探頭。激光功率計開始計數(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

將起偏器的起偏角定在偏振方向為0”的位置，然后旋轉(zhuǎn)檢偏器找到光強最大的位置，記錄功率計的讀數(shù)，而后每隔30”記錄一次透射光強的數(shù)值，直到旋轉(zhuǎn)一周后出現(xiàn)兩次極大和兩次“消光”。畫出透射光強隨角度變化的曲線與理論曲線相比較，驗證馬呂斯定律。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，并畫出透射光強隨角度變化的曲線。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，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，旋轉(zhuǎn)檢偏器，每隔15°記錄出射光強的讀數(shù)，觀察光強的變化，并畫出透射光強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，旋轉(zhuǎn)檢偏器，每隔15°記錄出射光強的讀數(shù)，觀察光強的變化，并畫出透射光強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。

七、實驗數(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00.451.512.171.660.6500.421.512.141.630.550角度0153045607590105120135150165180光強0.740.590.2100.210.620.810.530.1900.130.500.75角度195210225240255270285300315330345360光強0.640.2700.10.440.690.650.300.140.50.74角度0306090120150180210240270300330360光