仿真实验偏振光实验报告

1 / 15 仿真实验偏振光实验报告 课 程：系 别：专业班级： 大学物理仿真实验 电信学院 实验报告 -物理仿真实验 实验名称：偏振光实验 实验报告日期： 2016 年 11 月 28 日学号：* * 姓 名： *教师审批签字 1.实验原理： 偏振光原理： 按电磁波理论 ,光是横波，它的振动方向和光的传播方向垂直 .实际中最常见的光的偏振态大体为五 种，即自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏娠光和椭圆偏振光 1. 自然光是各方向的振幅相同的光。对自然光而言，它的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内可取所有可能的方向，没有一个方向占有优势 .若把所有方向的光振动都分解到相互垂直的两个方向上，则在这两个方向上的振动能量和振幅都相等。 2 线偏振光是在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿一个方向振动。起偏器是将非偏振光变成线偏振光的器件；检偏器是用于鉴别光的偏振光状态的器件。常见的起2 / 15 偏或检偏的元件构成有两种： 偏振片：它是利 用聚乙烯醇塑胶膜制成，它具有梳状长链形结构分子，这些分子平行排列在同一方向上，此时胶膜只允许垂直于排列方向的光振动通过，因而产生线偏振光 . 光学棱镜：如尼科耳棱镜、格兰棱镜等，它是利用光学双折射的原理制成的； 3 部分偏振光： 除了自然光和线偏振光外，还有一种偏振状态介于两者之间的光如果用偏振片去检验这种光的时候，随着检偏器透光方向的转动，透射光的强度既不象自然光那样不变，又不象线偏振光那样每转 90o。交替出现强度极大和消光其强度每转 90o也交替出现极大和极小，但强度的极小不是 0。从内部结构看，这种光的振动虽然也是各方向都有，但不同方向的振幅大小不同，具有这种特点的光，叫做部分偏损光 我们假定波是沿 z轴传播的，在图中它垂直纸面迎面而系这时若电矢量按逆时针方向旋转，我们称为左旋 圆偏振光。若顺时针旋转，称为右旋圆偏振光。 5 椭圆偏振光 电矢量的端点在波面内描绘的轨迹为一椭圆的光，叫椭圆偏振光。椭圆运动也可看成是两个相互垂直的线偏振光的合成，只是它们的振幅不等，或位相差不等于 /2。 3 / 15 椭圆长、短轴的大小和取向，与振幅 Ax, Ay 和位相差 都有关系。可以看出线偏振光和圆偏振光都是椭圆偏振光的特例，常用波晶片把椭圆偏振光转换为线偏振光。 椭圆偏振光退化为圆偏振光的条件是： Ax Ay 和 /2。 椭圆偏振光退化为线偏振光的条件是： Ax 0，或Ay 0，或 0，。 椭圆偏振光也有左、右旋之分，其定义与前面圆偏振光的定义相同。 波晶片：又称位相延迟片，是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，由于波晶片内的速度 vo,ve不同，所以造成 o 光和 e 光通过波晶片的光程也不同 .当两 光束通过波晶片后 o光的位相相对于 e 光多延迟了 =2 d/，若满足 d= /4，即 = /2我们称之为 /4片，若满足 d= /2，即 =，我们称之为 /2片，若满足 d=，即 =2我们称之为全波片。 布儒斯特定律： 自然光以任意入射角 i 入射于两种各向同性的透明介质的分界面商。一般情况下，反射光和入射光分别是部分偏振光，垂直于入射面振荡的电矢量在反射光中占主要地位。在入射面上振荡的电矢量在折射光中占主要地位。有一特殊入射角 b,当 i =b 时，反射光线垂直于折射光线，反射光变 成完全偏振光。该现象最早在 1815 年为布儒斯特所发4 / 15 现，我们称之为布儒斯特定律， b 叫做布儒斯特角，满足下列方程： 其中 n1， n2是相邻两种媒质的折射率。 改变射向晶体的入射光线的方向，可以找到一个确定的方向，沿着这一方向， o 光和 e 光传播速度相等，折射率相同，不产生双折射现象，这个方向叫做光轴。只有一个光轴的晶体叫做单轴晶体，有两个光轴的晶体称为双轴晶体。 包含光轴和任一光线的平面，称做对应于该光线的主平面。 O 光的电矢量的振动方向垂直于主平面。 e 光电矢量的振动方向在它的主平面内。 本实验用来获得偏振光的仪器叫做格兰棱镜。格兰棱镜是由两面三块方解石棱镜构成的，二棱镜间的空气隙，方解石的光轴平行于棱镜的棱。自然光垂直于界面射入棱镜后分为 o 光和 e 光， o 光在空气隙上全反射，只有 e 光透过棱镜射出 马吕斯定律： 马吕斯在 1809年发现，完全线偏振光通过检偏器后的光强可表示为 I1 = I0 cos2，其中的 a是检偏器的偏振方向和入射线偏振光的光矢量振动方向的夹角： 2.实验仪器： 半导体激光器，起偏器，检偏器， 1/4波片，光电探测器，光电 探测器台，光电流放大器，光屏，光具座。 5 / 15 3.实验内容： 根据马吕斯定律测定光电池的线性响应 : P1：起偏器，方位不变 P2：检偏器，改变其方位以得到不同强度的偏振光，用来测定硅光电池的线性响应 B：分束板，使激光器的光束部分投射，部分反射 D1：光源光强监视器，包括硅光电池及光电流检测装置，用以 I0的变化。 D2：当 P2 方位变化时，偏振光强 I2 依照马吕斯定律改变， I2的变化将由 D2测定。 测量数据 : I1 I2 I1 ， I2 ： D1， D2的光电流读数 , 为起偏器 P1 后平面偏振光方位与检偏器 P2 后平面偏振光方位的夹角。 ： P2盘读数 根据测量结果，绘出与关系曲线，是否呈线性关系。 根据布儒斯特定律测定介质的折射率 : 利用布儒斯特定律时，只能在入射光为 P 分量时，才能得到反射率为零的布儒斯特角。故实验分为两步进行： A. 确定起偏器的方位，在此方位使入射到样品表面的入射光的偏振方向恰好为 P分量。实验方法如下： 1 P1 在某一方位时，转动样品面使反射 光的反射角在 50o60o之间，移动光屏使得反射光点落于其上，仔细6 / 15 观察光屏上反射光的强弱变化。选定出射光点最暗的某一位置做下一步调整。 2然后旋转 P1 的角度，观察光屏上反射光点的亮暗变化。找到一个光点最暗的 P1方位角。 3再依次重复 1， 2 的步骤，知道反射光强近于零。此时 P1的方位角恰好使出射平面偏振光与入射平面相重合，即为 P分量。 B. 根据布儒斯特定律确定介质材料的折射率。 实 验 报 告 姓 名：高阳 班 级： F0703028 学 号： 5070309013 同组姓名：王雪峰 实验日期： XX-3-3 指导老师：助教 10 实验成绩： 批阅日期： 偏振光学实验 【实验目的】 1. 观察光的偏振现象 ,验证马吕斯定律 2. 了解1/2波片 ,1/4波片的作用 3. 掌握椭圆偏振光 ,圆偏振光的产生与检测 . 【实验原理】 1 光的偏振性 光是一种电磁波，由于电磁波对物质的作用主要是7 / 15 电场，故在光学中把电场强度 E 称为光矢量。在垂直于光 波传播方向的平面内，光矢量可能有不同的振动方向，通常把光矢量保持一定振动方向上的状态称为偏振态。如果光在传播过程中，若光矢量保持在固定平面上振动，这种振动状态称为平面振动态，此平面就称为振动面。此时光矢量在垂直与传播方向平面上的投影为一条直线，故又称为线偏振态。若光矢量绕着传播方向旋转，其端点描绘的轨道为一个圆，这种偏振态称为圆偏振态。如光矢量端点旋转的轨迹为一椭圆，就成为椭圆偏振态。 2偏振片 虽然普通光源发出自然光，但在自然界中存在着各种偏振光，目前广泛使用 的偏振 光的器件是人造偏振片，它利用二向色性获得偏振光。偏振器件即可以用来使自然光变为平面偏振光 起偏，也可以用来鉴别线偏振光、自然光和部分偏振光 检偏。用作起偏的偏振片叫做起偏器，用作检偏的偏振器件叫做检偏器。实际上，起偏器和检偏器是通用的。 3.马吕斯定律 设两偏振片的透振方向之间的夹角为，透过起偏器的线偏振光振幅为 A0， 则透过检偏器的线偏振光的振幅为 A， A=A0cos，强度 I=A ， I=A0cos= 8 / 15 20 22 2 cos=cos 式中 I0 为进入检偏器前线偏振光的强度。 22 这就是年马吕斯在实验中发现的，所以称马吕斯定律。显然，以 光线传播方向为轴，转动检偏器时，透射光强度将发生周期变化。 若入射光是部分偏振光或椭圆偏振光，则极小值部位。若光强完全不变化，则入射光是自然光或圆偏振光。这样，根据透射光强度变化的情况，可将线偏振光和自然光和部分偏振光区别开来。 4椭圆偏振光、圆偏振光的产生； 1/2 波片和 1/4波片的作用 当平面偏振光同过 1/2 波片后，产生的仍是平面偏振光，但它与原入射光的 夹角为 2； 当平面偏振光同过 1/4 波片后，产生偏振光的性质与相关： = 0 时：出射光为振动方向平行 1/4 波片光轴的平9 / 15 面偏振光。 = 21/4 波片光轴的平面偏振光。 = 4 为其他值时，出射光为椭圆偏振光。 我们使平面偏振光通过 1/2 波片， 1/4波片，产生各种性质的偏振光，来研 究它们的性质以及它们之间的关系。 原始数据记录表 1验 证马吕斯定律 偏振片初始角度为 218度 从表中可知 ,当偏振片角度余弦的平方值相同时 ,光电流值也基本保持相同 ,这就说明光电流值与偏振片角度余弦的平方值相关。下面我们取表格中的前一半数据，来观察其关系 从图中可见，光电流强度与角度余弦值的平方成线形关系，这也就验证了马吕斯定律。 2.线偏振光通过 1/2 波片时的现象和 1/2 波片的作用 由此可见 ,为达到消光 ,检偏器转过角度与 1/2 波片转过角度保持一致。 而若检偏器固定 ,将 1/2 波片转过 360度 ,会观察到两次消 光；同样地 ,若 1/2 波片固定 ,将检偏器转过 360 度 ,同样会观察到两次消光。由此可见 ,线偏振光通过 1/2 波片后 ,它仍是线偏振光 ,只是发生了角度的改变而已。 10 / 15 偏振光实验报告 实验 1. 验证马吕斯定律 实验原理：某些双折射晶体对于光振动垂直于光轴的线偏振光有强烈吸收，而对于光振动平行于光轴的线偏振光吸收很少，这种对线偏振光的强烈的选择吸收性质，叫做二向色性。具有二向色性的晶体叫做偏振片。 偏振片可作为起偏器。自然光通过偏振片后，变为振动面平行于偏振片光轴，强度为自然光一半的 线偏振光。如图 P1、图 2 所示： P1 P2 图 1 图 2 A 0 图 1 中靠近光源的偏振片 P1 为起偏器，设经过 P1 后线偏振光振幅为 A0，光强为 I0。 P2 与 P1 夹角为 ?,因此经 P2后的线偏振光振幅为 A?A0cos?， 2光强为 I?A0cos2?I0cos2?,此式为马吕斯定律。 实验数据及图形： 从图形中可以看出符合余弦定理，数据正确。 实验 2.半波片， 1/4波片作用 实验原理：偏振光垂直通过波片以后，按其振动方向分 解为寻常光和非常光。它们具有相同的振动频率和固定的相位差，若将它们投影到同一方向，就能满足相干条件，实现偏振光的干涉。 分振动面的干涉装置如图 3 所示， M 和 N是两个偏振片， C 是波片，单色自然光通过 M 变成线偏振光，线偏振光11 / 15 在波片 C 中分解为 o 光和 e光，最后投影在 N上，形成干涉。 偏振片 波片 偏振片 图 3 分振动面干涉装置 考虑特殊情况，当 M N时，即两个偏振片的透振方向垂直时，出射光强为： I0；当 M N 时，即两个偏振片的透振方向平行时，出射 4 I0。 其中为波片光轴与 M2I?光强为： I/? 透振方向的夹角，为 o 光和 e 光的总相位差。改变、中的任何一个都可以改变屏幕上的光强。 当 =时， cos =-1， I? 强最大， I/?02sin22?，出射光 I02，出射光强最小；当 = /2时， cos =0， I?I0I,I/?0。 44 特别地，利用 1/4 波片我们还可以得到圆偏振光和椭圆偏振光。当 =45 度时，得到圆偏振光，此时让偏振片N 旋转一周，屏幕上光强不变。一般情况下，得到的是椭圆偏振光，让 偏振片 N 旋转一周，屏幕上的光斑“两明两暗”。 实验结果： 半波片实验数据表： 1/4波片实验数据： 结论：线偏振光通过 1/4波片后可能变成圆偏振光，椭圆偏振光也有可能仍是线偏振光。 实验 3. 旋光效应 12 / 15 实验原理：线偏振光通过某些物质的溶液后，偏振光的振动面将旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象。旋转的角度称为该物质的旋光度。通常用旋光仪来测量物质的旋光度。溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的旋光能力、溶液的性质、溶液浓度、样品管长度、温 度及光的波长等有关。当其它条件均固定时，旋光度与溶液浓度 C呈线性关系即 ?C 比例常数与物质旋光能力、溶剂性质、样品管长度、温度及光的波长等有关， C 为溶液的浓度。物质的旋光能力用比旋光度即旋光率来度量，旋光率用下式表示： ?t? l?C 式中，右上角的 t 表示实验时温度，是指旋光仪采用的单色光源的波长，为测得的旋光度， l 为样品管的长度， C为溶液浓度。 由式可知： 偏振光的振动面是随着光在旋光物质中向前进行而逐渐旋转的，因而振 动面转过角度透过的长度 l 成正比。振动面转过的角度不仅与透过的长度 l 成正比，而且还与溶液浓度 C成正比 14。 如果已知待测溶液浓度 C和液柱长度 l，只要测出旋光度就可以计算出旋光率。如果已知液柱长度为 l固定值，13 / 15 可依次改变溶液的浓度 C，就 可以测得相应旋光度。并作旋光度与浓度的关系直线 C，从直线斜率、液桩长度 l 及溶液浓度 C，可计算出该物质的旋光率；同样，也可以测量旋光性溶液的旋光度，确定溶液的浓度 C。旋光性物质还有右旋和左旋之分。当面对光射来方向观察，如果振动面按顺时针方向旋 转，则称右旋物质；如果振动面向逆时针方向旋转，称左旋物质。 测量葡萄糖水溶液的浓度 将已经配置好的装有不同的容积克浓度的葡萄糖。水溶液的样品管放到样品架上，测出不同浓度 C下旋光度值。并同时记录测量环境温度和记录激光波长 葡萄糖水溶液的浓度配制成 C0、 C0/2、 C0/4、 C0/8，0， 共 5 种试样，浓度 C0 取 30%左右为宜。分别将不用浓度溶液注入相同长度的样品试管中。测量不同浓度样品的旋光度。用最小二乘法对旋光度、溶液浓度进行直线拟合，计 算出葡萄糖 的旋光率。也可以以溶液浓度为横坐标，旋光度为纵坐标，绘出葡萄糖溶液的旋光直线，由此直线斜率代入公式，求得葡萄糖的旋光率 ?t 6500。 数据记录及处理 14 / 15 图形： 实验 4. 光弹效应 光弹性试验是应用光学方法研究受力构件中应力分布情况的试验，在光测弹性仪上进行，先用具有双折射性能的透明材料制成和实际构件形状相似的模型，受力后，以偏振光透过模型，由于应力的存在，产生光的暂时双折射现象，再透过