偏振光學(xué)實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹坷斫馄窆獾幕靖拍?，偏振光的起偏與檢偏方法；學(xué)習(xí)偏振片與波片的工作原理與使用方法【實(shí)驗(yàn)原理】1．光波偏振態(tài)的描述一個(gè)單色偏振光可以分解為兩個(gè)偏振方向互相垂直的線偏振光的疊加，即①式中為方向偏振分量相對(duì)于方向偏振分量的位相延遲量，分別是兩偏振分量的振幅，為光波的圓頻率。對(duì)于單色光，參數(shù)、就完全確定了光波的偏振狀態(tài)。以下討論中取。當(dāng)時(shí)，式（1）描述的是一個(gè)線偏振光，偏振方向與x軸的夾角稱(chēng)為線偏振光的方位角（如圖1所示）。當(dāng)且時(shí)，式（1）描述的是一個(gè)圓偏振光，其特點(diǎn)是電矢量以角速度旋轉(zhuǎn)，電矢量的端點(diǎn)的軌跡為一圓。的正負(fù)決定了電矢量的旋向，時(shí)為右旋偏振光，時(shí)為左旋偏振光（迎著光的方向觀察，如圖2所示）。除了上述特殊情況，式（1）表示的是橢圓偏振光。（如圖3）圖1：線偏振光圖2：圓偏振光圖3：橢圓偏振光偏振的一個(gè)重要應(yīng)用是研究光波通過(guò)某個(gè)光學(xué)系統(tǒng)后偏振狀態(tài)的變化來(lái)了解此系統(tǒng)的一些性質(zhì)。2．偏振片偏振片主要有主透射率和消光比兩個(gè)主要性能指標(biāo)。記沿透射軸方向振動(dòng)的光波的光強(qiáng)透射率和沿消光軸方向振動(dòng)的光波的光強(qiáng)透射率分別為，二者之比為消光比e。 ②振動(dòng)方向和透射軸方向成角的線偏振光經(jīng)過(guò)偏振片后透射率為 ③（即馬呂斯定律）實(shí)驗(yàn)中利用兩個(gè)主透射率相同的偏振片來(lái)測(cè)量消光比e。 實(shí)驗(yàn)中所用偏振片的消光比在量級(jí)。因此光波通過(guò)偏振片后仍可近似看成是偏振光。通常把產(chǎn)生線偏振光的偏振片叫起偏器，用以分析光的偏振器叫檢偏器。當(dāng)檢偏器和起偏器透射軸平行時(shí)，透射光強(qiáng)最大。二者垂直時(shí)，會(huì)產(chǎn)生消光現(xiàn)象。用這種方法就可以進(jìn)行線偏振光的檢測(cè)。在本實(shí)驗(yàn)中用檢偏器和光強(qiáng)探測(cè)器來(lái)分析。用光強(qiáng)探測(cè)器示值可確定出橢圓長(zhǎng)軸方位角和光強(qiáng)的極值比。3.延遲器和波片常用的延遲器是由雙折射材料制成的光學(xué)元件。他有兩個(gè)互相垂直的特定方向，快軸和慢軸。光線傳播時(shí)，沿兩個(gè)軸的偏振分量有不同的傳播速度，既有不同的折射率。這樣，慢軸分量相對(duì)于快軸分量將會(huì)產(chǎn)生位相延遲。設(shè)位相延遲器厚度為d，快，慢軸方向振動(dòng)的線偏振光折射率分別為，則 式中和分別為真空中的光速和波長(zhǎng)，為光波源頻率。線偏振光經(jīng)過(guò)相延后偏振態(tài)發(fā)生變化。波片是一種特殊的位相延遲器。實(shí)驗(yàn)中需要注意的是，沿快軸或慢軸入射的線偏振光通過(guò)波片后其偏振狀態(tài)不變。橢圓偏振光經(jīng)過(guò)延遲器后的偏振狀態(tài)分析可分如下步驟：①先將入射光表示成分沿快滿(mǎn)軸方向振動(dòng)的兩分量，其相差為，振幅為和；②投射光的位相差為③由，，就可以定出投射光的偏振狀態(tài)。如果為的整數(shù)倍，入射的橢圓偏振光就變成了線偏振光。圓偏振光經(jīng)過(guò)1/4波片，或入射橢圓偏振光的長(zhǎng)（短）軸平行于1/4波片的快（慢）軸，透射光線都是偏振光，這兩種現(xiàn)象在偏振光學(xué)實(shí)驗(yàn)中很有用。波片在使用時(shí)首先要定出波片快慢軸方向，將待測(cè)波片C放在已正交消光的偏振器P和A之間，旋轉(zhuǎn)波片C使三者仍保持消光狀態(tài)，這時(shí)波片的一個(gè)軸就平行于P的透射軸的方向。將待測(cè)1/4波片的軸和另一個(gè)1/4波片的已知快軸方向平行，這兩個(gè)波片合成了一個(gè)半波片或全波片，判斷出波片類(lèi)型后，就可以判斷出待測(cè)波片的快軸方向。波片軸的確定波片的相延很難做到準(zhǔn)確等于或，通常把波片的實(shí)際相延和理想值之差叫波片相延誤差。因此測(cè)量時(shí)一般讓入射光的偏振方向與波片的軸成一稍小于的角度。4.反射和折射時(shí)的起偏現(xiàn)象平面電磁波以入射角由空氣中投射到折射率為n的無(wú)吸收介質(zhì)表面，將發(fā)生反射和折射。若將入射分解為電矢量分別平行或垂直于入射面的兩個(gè)分量P和S。把P,S分量的振幅反射率平方就可以得到相應(yīng)的光反射率，根據(jù)不同入射角時(shí)曲線可以看到兩分量反射率僅在及趨近于90°時(shí)相等，所以光束斜入射是反射光，透射光的偏振態(tài)不同于入射光的偏振狀態(tài)。入射偏振光方向與入射面呈45°角時(shí)，反射光的線偏振方向?qū)㈦S入射角不同而改變，實(shí)驗(yàn)中能觀察到這一現(xiàn)象。當(dāng)即時(shí)，=0，反射光中電矢量沒(méi)有和入射面平行的分量，這一特征角叫布儒斯特角。光束以入射時(shí)反射光是電矢量垂直于入射面的完全線偏振光，即只有S分量，該分量的反射率為實(shí)驗(yàn)中可根據(jù)布儒斯特角的上述性質(zhì)判斷偏振器的透射軸方向。實(shí)驗(yàn)中由于表面散射等原因，的測(cè)定準(zhǔn)確度較低。有些實(shí)驗(yàn)中使光束以射入多塊平行玻璃板已獲得只有P分量的線偏振透射光。經(jīng)過(guò)N塊玻璃的2N個(gè)表面后，S分量的總透射率為N值較大時(shí)其值幾乎為0，這種起偏裝置叫波片堆?！緦?shí)驗(yàn)裝置】（1）光源用波長(zhǎng)為633nm的氦氖激光器，為減小輸出光強(qiáng)的波動(dòng)影響，實(shí)驗(yàn)前激光器要預(yù)先點(diǎn)燃，經(jīng)過(guò)20min左右光強(qiáng)才較穩(wěn)定；實(shí)驗(yàn)中不要關(guān)激光電源。暫不考慮激光束偏振特性對(duì)測(cè)量的影響。注意：不準(zhǔn)用眼睛迎面直視激光束以免損傷眼底。（2）起偏器P和檢偏器A被分別固定在分光計(jì)的平行光管和望遠(yuǎn)鏡上。P和A的方位角分別由游標(biāo)盤(pán)讀出，游標(biāo)分度為。（3）兩個(gè)1/4波片中，一個(gè)波片得快軸大致方向已用紅點(diǎn)標(biāo)出。另一個(gè)波片的快軸方向未知，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)步驟（12）（13）定出。（4）分光計(jì)的小平臺(tái)用以放置待測(cè)光學(xué)元件。（5）用硅光電池、數(shù)字表和電阻箱組成光強(qiáng)探測(cè)器，三者成并列關(guān)系?！緦?shí)驗(yàn)步驟】1.準(zhǔn)備工作提前開(kāi)啟激光源，使激光器的電流為4mA或略大。調(diào)整起偏管（平行光管）和檢偏管（望遠(yuǎn)鏡筒），使其軸線基本在同一水平面內(nèi)，且和分光計(jì)主軸垂直。調(diào)小平臺(tái)與主軸基本垂直，起偏管和檢偏管的方位角調(diào)節(jié)方法，與分光計(jì)望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)方法相同。調(diào)激光管的位置，使光束通過(guò)起偏管中心附近，由檢偏管中心射出。2.觀察布儒斯特角和偏振器的特性觀察布儒斯特角。定偏振器透射軸方向。測(cè)消光比e。測(cè)量透射光強(qiáng)和兩偏振器夾角間的關(guān)系。選作。1/4波片的特性研究定波片的快軸方向。線偏振光經(jīng)過(guò)1/4波片。定待測(cè)波片的快軸方向。觀測(cè)偏光器通過(guò)1/2波片或全波片的現(xiàn)象（令的快軸和的某一個(gè)軸平行）。觀測(cè)偏光器通過(guò)1/2波片或全波片的現(xiàn)象（令的慢軸和的某一個(gè)軸平行）。3.觀測(cè)反射光的偏振面旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象觀測(cè)反射光的偏振態(tài)改變的現(xiàn)象?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理分析】1觀測(cè)布儒斯特角光束正入射棱鏡表面時(shí)平臺(tái)方位角0°0’；入射角為布儒斯特角時(shí)平臺(tái)方位角=58°15’；布氏角的測(cè)量值為=58°15’；折射率=1.6160相對(duì)偏差（n-1.668）/1.668=—3.12％2定偏振器透射軸方向布氏角時(shí)起偏器P的透射軸在水平方向，方位角為；檢偏器A和P正交時(shí)A的方位角記作，即且A和P消光時(shí)的次序123456度91.9°91.7°90.1°89.7°89.9°91.6°=（91.9°+91.7°+90.1°+89.7°+89.9°+91.6°）=90.8°==179.4°3測(cè)消光比e。4按表測(cè)透射光強(qiáng)與兩偏振器夾角間的關(guān)系。電阻箱示值，°；°夾角（度）0.015.030.045.00.060.075.080.00.084.087.090.00.0A盤(pán)=+90°+270.1°285.2°300.1°315.0°90.2°330.3°345.0°350.0°270.2°354.1°357.0°360.0°270.1°Im(mV)測(cè)量值6.2775.8434.7163.1826.2641.6340.4800.2306.3380.0820.027-0.0016.296Ic≈Imax（cosθ）2+Imin※※※※|Ic-Im|/Im(%)※※※※5定波片的快軸方向；；波片快軸在垂直方向時(shí)度盤(pán)示值6線偏振光經(jīng)過(guò)1/4波片β=P-(度)0.022.545.067.543.0P盤(pán)方位角P=β+90.8113.3135.8158.3133.8A透射軸在長(zhǎng)軸方向時(shí)的270.193.5133.7179.6289.3長(zhǎng)軸方位角-0