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LB-PL 偏振光实验仪LB-PL- 偏振光实验光的偏振与波片的作用 光的偏振现象是波动光学中一种重要现象，当今，在高科技领域如光信息处理、光通信、光调制、光电子器件等方面的应用日趋广泛。因此，光的偏振实验在高校光学实验中显得尤为重要。本仪器可以进行光偏振的多种实验，通过实验，可以学习、了解并掌握偏振光的种类、特性、产生以及他们的鉴别方法，了解并掌握偏振片、/4波片和/2波片的作用，从中得到更加深刻的认识和记忆。一、 仪器特点：1、 设计合理，加工精细，用料讲究，仪器体枳小，重量轻，美观耐用；2、 转动部分平稳舒适，刻度明晰，读数准确可靠；3、 可配各种光源及多种光强接收器；使实验的形式具多样化。二、 实验仪器：1、 光源: 半导体激光光源 1 波长650nm 或白光光源2、 光具座：导轨0.8米长 1 移动座 6 3、 转盘式带度盘偏振片 2 4、 转盘式带度盘1/4波片 15、 转盘式带度盘1/2波片 16、 接收屏 1或数字式光检流计、CCD光强分布测量仪 三、 使用仪器注意事项：1、 半导体激光器功率较强，不要用眼睛直接观察激光，以免损坏眼睛。2、 测量时要使偏振系统的出射光射入探测器的中间部位。四、 实验目的：1、 观察光的偏振现象，熟悉偏振的基本规律。2、 了解偏振光的产生、种类、特性以及它们的鉴别方法。3、 定性了解波片的作用。五、 实验原理光波的振动方向与光波的传播方向垂直。自然光的振动在垂直于其传播方向的平面内，取所有可能的方向。某一方向振动占优势的光叫部分偏振光，只在某一个固定方向振动的光线叫线偏振光或平面偏振光。将非偏振光（如自然光）变成线偏振光的方法称为起偏，用以起偏的装置或元件叫起偏器。线偏振光的产生（1）非金属表面的反射和折射光线斜射向非金属的光滑平面（如水、木头、玻璃等）时，反射光和折射光都会产生偏振现象，偏振的程度取决于光的入射角及反射物质的性质。当入射角是某一数值而反射光为线偏振光时，该入射角叫起偏角。起偏角的数值与反射物质的折射率的关系是： （1）称为布如斯特定律，如图1所示。根据此式，可以简单地利用玻璃起偏，也可以用于测定物质的折射率。从空气入射到介质，一般起偏角在53度到58度之间。非金属表面发射的线偏振光的振动方向总是垂直于入射面的；透射光是部分偏振光；使用多层玻璃组合成的玻璃堆，能得到很好的透射线偏振光，振动方向平行于入射面的。图 1 图 2（2）偏振片分子型号的偏振片是利用聚乙烯醇塑胶膜制成，它具有梳状长链形结构的分子，这些分子平行地排列在同一方向上。这种胶膜只允许垂直于分子排列方向的光振动通过，因而产生线偏振光，如图2所示。分子型偏振片的有效起偏范围几乎可达到180度，用它可得到较宽的偏振光束，是常用的起偏元件。图 3鉴别光的偏振状态叫检偏，用作检偏的仪器或元件叫检偏器。偏振片也可作检偏器使用。自然光、圆偏振光、椭圆偏振光、部分偏振光和线偏振光通过偏振片时，在垂直光线传播方向的平面内旋转偏振片时，可观察到不同的现象，如图3所示，图中()表示旋转P，光强不变，为自然光或圆偏振光；（b）表示旋转P，无全暗位置，但光强变化，为部分偏振光或椭圆偏振光；（c）表示旋转P，可找到全暗位置，为线偏振光。圆偏振光和椭圆偏振光的产生线偏振光垂直入射晶片，如果光轴平行于晶片的表面，会产生比较特殊的双折射现象。这时，非常光和寻常光的传播方向是一致的，但速度不同，因而从晶片出射时会产生相位差 （2）式中表示单色光在真空中的波长，和分别为晶体中光和光的折射率，为晶片厚度。（1）如果晶片的厚度使产生的相位差，k=0，1，2，这样的晶片称为1/4波片，其最小厚度为。线偏振光通过1/4波片后，透射光一般是椭圆偏振光；当=/4时，则为圆偏振光；当或/2时，椭圆偏振光退化为线偏振光。由此可知，1/4波片可将线偏振光变成椭圆偏振光或圆偏振光；反之，它也可将椭圆偏振光或圆偏振光变成线偏振光。（2）如果晶片的厚度使产生的相差，k=0，1，2，这样的晶片称为半波片，其最小厚度为。如果入射线偏振光的振动面与半波片光轴的交角为，则通过半波片后的光仍为线偏振光，但其振动面相对于入射光的振动面转过角。（3） 如果晶片的厚度使产生的相差，k=1，2，3，这样的晶片称为全波片，其最小厚度为。从该波片透射的光为线偏振光。线偏振光通过检偏器后光强的变化强度为的线偏振光通过检偏器后的光强为 （3）式中，为线偏振光偏振面和检偏器主截面的夹角，（3）式为马吕斯（Malus）定律，它表示改变角可以改变透过检偏器的光强。当起偏器和检偏器的取向使得通过的光量极大时，称它们为平行（此时= 00）。当二者的取向使系统射出的光量极小时，称它们为正交（此时= 900）。六、 实验内容：本仪器的激光光源采用的是波长为650nm的半导体激光器，它发出的是部分偏振光，在它的前面加上一块偏振片P1，只要用接收屏接收，在沿一个方向转动偏振片P1时，就能观察到偏振光强度的强弱变化。当获得的偏振光强度最强时，此方向就是偏振片的偏振化方向与激光最强的偏振轴方向一致的方向。如果使用数字检流计接收，此时读数最大。图 41、起偏和消光（1）起偏方法A反射起偏与折射起偏：光线入射到两种界质分界面时，光线要发生反射和折射，其反射光和折射光均是部分偏振光。当其以布儒斯特角入射时，其反射光则为线偏振光。 B偏振片起偏：自然光经过偏振片后就成了线偏振光。C晶体双折射起偏：当光束通过各向异性的晶体时，会产生两束折射光，称为双折射，这两束光都是线偏振光，具有相同的振动频率，但振动方向和在晶体中的传播速度不同。（2） 起偏。将激光投射到屏上，在激光束中插入一偏振片，使偏振片在垂直于光束的平面内转动，观察透过光强的变化，并据此判断激光束的偏振情况。（3） 消光。在第一片偏振片和屏之间加入第二块偏振片，将第一块固定，转动第二块偏振片，观察现象，能否找到一个消光位置，此时两偏振片的位置关系怎样？2、 自然光、圆偏振光、线偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光的鉴别： 线偏振光的鉴别：线偏振光的特征是：当线偏振光通过偏振片时，如果偏振片的偏振化方向与线偏振光的振动方向平行，则光几乎不被吸收地通过；若垂直则几乎完全被吸收而没有光通过。具体做法是：把偏振片P1对着入射光作为起偏器，后面再装上偏振片P2作为检偏，用接收屏观察。当偏振片P1和P2均为00时，接收屏有一亮斑；然后使P2旋转360o，光斑亮度发生变化，并且有两次最亮，有两次完全黑暗（即光强为零），说明经过P1后的光为线偏振光。2 自然光与圆偏振光的鉴别：因为圆偏振光经1/4波片能成为线偏振光，而自然光不能。所以，用1/4波片与检偏器配合可将自然光与圆偏振光区分开。具体步骤是：使入射光直接通过1/4波片并使=0，再通过检偏器P2，用接收屏接收。然后使1/4波片转动360o，观察此时接收屏光斑亮度的变化。1/4波片转动360o，光斑亮度没有变化；再使 P2转动 360o，光斑亮度也没有变化，则入射光为自然光。如果是圆偏振光，则在P2转动 360o时，接收屏上的光斑都有两次最亮和两次完全黑暗，表示入射的圆偏振光通过1/4波片后变成线偏振光。 椭圆偏振光与部分偏振光的鉴别：因为椭圆偏振光经1/4波片后能成为线偏振光，而部分偏振光经1/4波片后不能成为线偏振光。 具体做法是：让检偏器P2直接对着激光光源，用接收屏观察，在P2转动360o的过程中，光强有强弱改变，可见激光光源出来的光是部分偏振光或是椭圆偏振光，再在P2之前插入1/4波片C1，然后使P2转动360o，此时观察到屏上光强有两次亮暗变化，但没有出现完全黑暗的现象，说明光源发出的光是部分偏振光；如果 在P2转动360o的过程中，出现两次最亮和两次完全黑暗，则通过P1后的光是椭圆偏振光。4 圆偏振光和椭圆偏振光的鉴别：仍用激光光源，装上P1使与P2正交，插入1/4波片C1,并使C1从消光位置转过45o，然后将P2转动360o，发现光强不变，此时从C1出来的光为圆偏振光；再使1/4波片C1从消光位置转过15o，然后再使P2转动3600，就会发现光强有强弱变化，说明来自C1的光是椭圆偏振光。通过上面实验可知，线偏振光通过1/4波片后其偏振状态将随波片所转过的角度不同而不同。当1/4波片转动角度为零时，经波片后出射的光为线偏振光；当1/4波片转动角度=/2时，经波片后出射的光为线偏振光；当1/4波片转动角度=/4时，经波片后出射的光为圆偏振光；为其它值时，从波片出射的光为椭圆偏振光。综上所述，用偏振片和1/4波片来鉴别各种不同偏振光的方法总结列表于下： 鉴别各种偏振光的方法和步骤第一步旋转检偏镜第二步在检偏镜前插入1/4波片第三步再旋转检偏镜结 论光强无变化光轴方位任意两明两零圆偏振光光轴方位任意光强无变化自然光光轴方位任意两明两暗自然光加圆偏振光两明两零线偏振光两明两暗 （使偏振镜处于暗方位）旋转1/4波片，使光强最亮或最暗，即使其光轴与检偏镜透振方向平行或垂直两明两零椭圆偏振光两明两暗，暗方位同第一步自然光加线偏振光两明两暗，暗方位不同第一步自然光加椭圆偏振光如图5所示，使光线通过P1、P2，并使P1、P2正交，这时应看到消光现象，并记下此时P1、P2的度数，然后在P1、P2之间插入1/4波片C1，并使C1转动到再次出现消光现象，记下此时C1的度数，然后使C1由消光位置分别再转过150、300、450、600、750、900时，每次都将P2旋转3600，观察光强的变化情况，试问能看到几次光强极大和极小的现象？各次之间有无变化？为什么？并说明各次由C1透出光的偏振性质。 3、 波片的作用：波片是用来改变或检验光的偏振情况的晶体薄片，一般采用优质的石英、云母等矿物双折射晶体，沿光轴方向切割而成。它的作用在前面的操作中已有体现。波片的晶面平行于光轴。当线偏振光垂直于晶面入射时，O光和E光均沿着原方向传播，但速度不同，经过一定厚度的晶片之后，O光和E光之间产生一定的光程差。波片可分为全波片、1/2波片和1/4波片。线偏振光通过全波片其振动状态不发生变化；线偏振光通过1/2波片后其振动面转过2角；1/4波片能把圆偏振光和椭圆偏振光变成线偏振光，反之亦然。（1）1/4波片的作用： 现在专门讨论一下线偏振光垂直入射到/4波片上时，如果光振动方向与光轴的夹角发生变化，则出射光的偏振状态将也发生变化的情况。如图6所示，设入射线偏振光振幅为A，此时， O光和E光的振幅分别为Asin和Acos，是的 函数，所以通过/4波片后合成的光的偏振状态 将随角度的变化而不同。 A、 当=0时，获得振动方向平行于波片光轴的线偏振光。 B、 当=/2时，获得振动方向垂直于波片光轴的线偏振光。 C、 当=/4时，获得圆偏振光。 D、 当为其它值时，获得椭圆偏振光。 图 6 下表列出各种偏振光垂直入射并经过/4波片后偏振状态的 变化情况：入射光/4波片位置出射光线偏振光轴与入射偏振方向平行或垂直线偏振光轴与入射偏振方向成450圆偏振其他位置椭圆偏振圆偏振任何位置线偏振椭圆偏振光轴与椭圆的长轴或短轴一致线偏振其他位置椭圆偏振（2）1/2波片的作用当以平面偏振光垂直入射到1/2波片上时，如果光振动面与波片光轴成角，则通过波片的光仍为平面偏振光，但其振动面转动了二倍角，如果=450，则出射光的振动面与入射光的振动面垂直。1) a. 在P1和P2之间，插入一个1/4波片C1，旋转其刻度盘，使其至消光或光电流为最小位置，移去C1，保持其刻度盘不被转动；再将另一1/4波片C2插入P1和P2之间，旋转其刻度盘，使其至消光或光电流为最小位置，保持其刻度盘不再被旋转。（须增购1/4波片后，方可做）b. 在P1和C2之间插入C1波片，实验如图5所示，此时由C1和C2两个1/4波片组成一个1/2波片，旋转P2检偏器3600，能实现几次消光？记下消光位置，请加以解释。c. 保持P2检偏器的消光位置，将C1和C2两个1/4波片其中一个波片任意旋转一个角度，破坏消光现象，再将P2旋转3600，又能看到几次消光？记下消光位置，请加以解释。d. 保持P2检偏器的消光位置，将C1和C2两个1/4波片其中一个波片使其分别旋转150、300、450、600、750、900。再旋转P2检偏器到消光位置，记录其相对旋转角度。解释上面实验结果，并由此了解1/2波片作用。2) 在P1和P2之间插入一个1/2波片（即把两个1/4波片换成一个1/2波片），将此波片旋转3600，能看到几次消光？请加以解释。将1/2波片任意转过一个角度，破坏消光现象，再将P2旋转3600，又能看到几次消光？为什麽？ 3) 改变1/2波片的快（或慢）轴与激光振动方向之间夹角的数值，使其分别为150、300、450、600、750、900,旋转P2到消光位置，记录相应的角度p2,解释上面实验结果，并由此总结出1/2波片的作用。4、椭圆偏振光的实验中，在起偏器与检偏器中间置入/4，/2波片，转动检偏器，700，900测的对应的光电流值，绘制出光强与角度的关系，并分析曲线涵义。5、验证马吕斯定律，绘制硅光电池的响应曲线。当两偏振片之间的夹角为0时测得的电流强度为，当两偏振片之间的夹角为时测的光电流强度为，实验中将起偏器和检偏器刻度盘上的角度定在标线处，则转动测的对应的光电流值。再绘制出曲线图，并分析曲线涵义。6、测定椭圆偏振光的长短轴取向及椭圆离心率在相互正交的两偏振片之间放置两个/4波片，第二个/4波片与检偏器A就构成一个简单的椭圆偏振计，它可用来分析椭圆偏振光的长短轴取向，椭圆离心率等。根据光线通过/4波片后两正交分量间产生/2相位延迟的原理，于是起偏器与第一个/4波片产生了椭圆偏振光，若第二个/4波片之光轴与此椭圆的长轴或短轴重合时即获得线偏振光，因而旋转检偏器便可找到消光位置如左图所示。这时第一个/4波片相对于起偏器P的偏转角决定了椭圆偏振光长短轴的取向，结合检偏器的旋转角度便可确定椭圆离心率。，式中为椭圆的长轴，b为短轴，e为椭圆的离心率，。由于起始消光位置（即两偏振片正交时的消光位置）时，两个/4波片可以有两个光轴平行或正交的两种情况，因而用于检验的椭圆偏振计分别有两种不同的读数，我们要把两个/4波片光轴平行的情况作为零点。（如何检验在正交的偏振片中两个/4波片光轴是平行还是正交？），在两个/4波片的光轴平行的情况下两个/4波片的作用可看成相当于一个/2的波片作用，于是=-，即=2。现再将两个/4波片同时从消光位置每转动然后分别测量检偏器须旋转多大的角度才与出射线偏振垂直（此时实现消光）。这样便可用椭圆偏振计测定其长短轴的取向和椭圆离心率。并要求画出各个角相对应的椭圆偏振光图形（具体做法见提示）。鉴于对一个椭圆偏振光，椭圆偏振计可获得数组消光位置，此时应取第一个消光位置，应仔细将椭圆偏振计的/4波片和检偏器反复调节，使出射光逐渐变暗以至消失。*提示：椭圆有一外切长方形，此长方形的各边若与新选取的坐标轴平行，长方形的边长取为2A1和2A2（A1， A2为光振动之振幅）。若取相位差=0，这时椭圆偏振光退化为一直线偏振光。此直线之坐标为（A1，A2），此直线即外切长方形的对角线如下图所示。当相位差改变时，椭圆之长短轴及离心率都相应改变，可以证明当入射光振幅一定时，振幅与各椭圆长短轴有如下关系：现在知道了椭圆长短轴的取向及离心率就可画出入射线偏振光振幅是一定的（即强度与方向不变）情况下，各个角相对应的椭圆偏振光图形。.LB-PL-2 布儒斯特角测量实验 通过测布儒斯特角求材料的相对折射率 光的偏振现象是波动光学中一种重要现象，当今，在高科技领域如光信息处理、光通信、光调制、光电子器件等方面的应用日趋广泛。因此，光的偏振实验在高校光学实验中显得尤为重要。本仪器可以进行光偏振的多种实验，此仪器的第二部分是为测布儒斯特角而专门设计的，通过实验，可以学习、了解并掌握布儒斯特角的特性、产生以及它们的测量方法，并掌握通过布儒斯特角求被测材料的表面折射率的原理，。一、 仪器特点：a) 设计合理，加工精细，用料讲究，仪器体积小，重量轻，美观耐用；b) 转动部分平稳舒适，刻度明晰，读数准确可靠；c) 可配小巧玲珑的旋转工作台，用做测量布儒斯特角并求出该被测件的相对折射率；（可以省去复杂而昂贵的分光光度计）二、 实验仪器：a) 光源: 半导体激光器 1 或白光光源b) 光具座：导轨0.8米长 1c) 带度盘（检偏）偏振片 1 d) 带度盘旋转工作台（带专用移动座） 1套e) 样品砖 1f) 玻璃样品 1 g) 接收屏 或数字光电检流计、CCD光强分布测量仪 三、 实验内容： 图 一当光源以布儒斯特角入射至玻璃表面时反射光呈垂直入射面振动的线偏振光，见图二所示光路，当偏振片旋转在某一个方向时可实现消光，从而可以确定偏振片的偏振化方向。要测量玻璃的相对折射率，首先要测出空气中平面玻璃的布儒斯特角。为此，必须在光具座上安装旋转工作台和转动支架。具体步骤如下：（1） 在光具座上装一个移动座，其后再放入专用移动座，并把旋转支架装到专用移动座上，再把旋转工作台装入到专用移动座上，把接收屏装入旋转支架的末端，把偏振片装在工作台与接收屏之间。（如图一）（2）在移动座上装上光源。并调整反射光、偏振片光轴、接收器光轴在同一平面内。（3）将平面玻璃样品用双面胶贴于样品砖的侧面，反射面朝外，再置于旋转工作台中心，并使反射面通过旋转中心，并用压片把样品砖固定。使反射面垂直于入射光，读下此时工作台度数io（为使方便起见，请置io为0o）。转动载物台以改变入射角，致使反射光为线偏振光，即旋转接收屏前的偏振片时会出现消光现象，读下此时旋转工作台的度数 i1。重复3次，取i1平均值。（4）i=i1- io i 为所测得布儒斯特角由下面公式求出相对折射率tgi=n2/n1 n2=n1.tgi n2-要求的相对折射率n1-空气的折射率，值为1 用我们配备的玻璃片，测得i1为56.5o。图 二（5）确定偏振片的偏振化方向a） 如图二，根据测量出的布儒斯特角i，并按此位置把玻璃样品固定在转台上。旋转偏振系统，当旋转在某一方向时在接收屏上可实现消光，从而确定了偏振片的偏振化方向（即P分量取向）。b) 将如图二中的接收屏换为硅光电池。根据测量出的布儒斯特角i，并按此位置把玻璃样品固定在转台上。旋转偏振系统，测量不同偏振角度下对应的光强强度，并作出对应的曲线，则偏振光P分量（也即偏振化方向）取向为光电流最小的方向。注意：在实验过程中应调节半导体激光光源的强度至一合适强度，即实验中的消光范围极其窄；若光线强度比较弱，消光位置不易准确判别，会出现一范围值，此时布儒斯特角取其范围的中间值；若光线强度比较强，则实验过程中不能完全消光，此时布儒斯特角为光电流最小的时候的读数值。LB-PL-3 旋光测定实验仪 第三部分 通过对蔗糖溶液旋光度的测量，计算出蔗糖的旋光率当偏振光通过某些物质的晶体或溶液后，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。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。通过该实验，可以简单了解偏振光在介质中的旋光现象。一. 实验仪器：在偏振光实验仪的基础上增加蔗糖溶液管，管长为150 mm（扣除蔗糖溶液管内两个封头长度，液体柱长度为135 mm）。溶液管为两个，一个作为已知浓度的蔗糖溶液，另一个作为未知浓度的蔗糖溶液。二. 仪器配套a) 光源: 半导体激光器 （波长650 nm） 1个b) 光具座：导轨0.8 m长 1根， c) 带度盘（起偏，检偏）偏振片 2个d) 接收屏 1个e) 蔗糖溶液管（带底坐） 2套f) 光电探头（MT数字检流计） 1个三 使用仪器注意事项： 在做该实验时候，由于偏振片的分度值为1度，所以在旋转偏振片是一定要慢，每次旋转幅度要小，不然很容易就错过消光角度了。同时，溶液管安装要靠近偏振片（如实验装置图）。 在同一温度下，其旋光率与入射光波长的平方成反比。根据国际标准20 用钠光（波长589.3 nm），测得蔗糖溶液的旋光率为66.588度.毫升/克.分米，所以,本实验使用的半导体激光器（波长650 nm），可计算得20 时蔗糖溶液的理论参考旋光率为54.732度.毫升/克.分米。 四 旋光率的测定：利用偏振光进行旋光测试。在起偏器和检偏器之间放入一试管蔗糖溶液，当偏振光通过蔗糖溶液后，偏振光的振动面将旋转一定的角度，产生旋光现象。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、液体柱长度、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 （4）上式中，比例常数与物质旋光能力、溶剂性质、液体柱长度、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： （5）(5)式中，右上角的t表示实验时温度(单位：),是指旋光仪采用的单色光源的波长(单位：nm)，为测得的旋光度（），为液体柱的长度（单位：dm），c为溶液浓度（单位：g/mL）。由(5)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成正比。、振动面转过的角度不仅与透过的长度成正比，而且还与溶液浓度c成正比。如果已知待测溶液浓度c和液柱长度，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固定值，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，从直线斜率、液柱长度及溶液浓度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。本试验的偏振光波长为半导体激光（650 nm）。在室温下进行。 在测试旋光率的时候按以下方法进行操作：1） 在安装蔗糖溶液管之前先用光电池探头检测光强，并转动检偏器到完全消光。此时为90