偏振光的产生和检验

光 学 实 验 期 末 小 论 文 学院 物 理 与 电 子 科 学 学 院 班级 2013 级 物 理 二 班 学号 2010921204 姓名 陈杰 偏振光的产生和检验偏振光的产生和检验 一 摘要 光的偏振是指光的振动方向与光的传播方向的不对称性 偏振现象是证明光为横波 的最有力的证据 在科学上具有极其重要的意义 它不但丰富了光的波动说的内容 而且具有重要的应用价值 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 线偏振 光是在垂直于传播方向的平面内 光矢量只沿一个固定方向振动 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状态的器件 二 关键词 He Ne 激光器 光具座 光靶 光学测角台 偏振片 波片 白屏 CD 盒 自然 光 Natural light is the direction of the amplitude of the same light for natural light its direction of vibration in the vertical plane in the direction of propagation of light advisable all possible direction not a direction advantage If all the direction of light vibration are decomposed to two perpendicular directions then in the two directions of vibration amplitude and energy are equal The line is in perpendicular to the direction of propagation of plane polarized light the light vector only along a fixed direction vibration The analyzer is unpolarized light is converted into linear polarized device Partial detector is used to identify the components of light polarization state 三 实验原理三 实验原理 1 1 光的偏振性光的偏振性 光波是波长较短的电磁波 电磁波是横波 光波中的电矢量与波的传播方向垂直 光的偏振观象清楚地显示了光的横波性 光大体上有五种偏振态 即线偏振光 圆偏 振光 椭圆偏振光 自然光和部分偏振光 而线偏振光和圆偏振光又可看作椭圆偏振 光的特例 1 自然光 光是由光源中大量原子或分子发出的 普通光源中各个原子发出的光的波列不仅 初相彼此不相关 而且光振动方向也是彼此不相关的 呈随机分布 在垂直于光传播 方向的平面内 沿各个方向振动的光矢量都有 平均说来 光矢量具有轴对称而且均 匀的分布 各方向光振动的振幅相同 各个振动之间没有固定的相联系 这种光称为 自然光或非偏振光 通过自然观的照射 CD 盒上会出现显色偏振 2 线偏振光 光矢量只沿一个固定的方向振动时 这种光称为线偏振光 又称为平面偏振光 光矢量的方向和光的传播方向所构成的平面称为振动面 如图 a 所示 线偏振光的 振动面是固定不动的 图 b 所示是线偏振光的表示方法 图中短竖线表示光振动在 纸面内 点表示光振动垂直于纸面 3 部分偏振光 这是介于线偏振光与自然光之间的一种偏振光 在垂直于这种光的传播方向的平 面内 各方向的光振动都有 但它们的振幅不相等 如图 a 所示 这种部分偏振光 用数目不等的点和短线表示 在图 b 中 上图表示在纸面内的光振动较强 下图表 示垂直纸面的光振动较强 要注意 这种偏振光各方向的光矢量之间也没有固定的相 的关系 2 2 布儒斯特角布儒斯特角 当光从折射率为n1的介质 例如空气 入射到折射率为n2的介质 例如玻璃 交 界面 而入射角又满足 1 2 B arctan n n 时 反射光即成完全偏振光 其振动面垂直于入射面 iB称布儒斯特角 上式即布儒 斯特定律 显然 B角的大小因相关物质折射率大小而异 若n1表示的是空气折射率 数值近似等于 1 上式可写成 2B arctann B n2 n1 反射光 入射光 图 3 1 3 3 马吕斯定律马吕斯定律 如果光源中的任一波列 用振动平面E表示 投射在起偏器 P 上 如下图 只有 相当于它的成份之一的Ey 平行于光轴方向的矢量 能够通过 另一成份Ex E cos 则被吸收 与此类似 若投射在检偏器A 上的线偏振光的振幅为E0 则透过A 的 振幅为E0 cos 这里 是 P 与 A 偏振化方向之间的夹角 由于光强与振幅的平方成 正比 可知透射光强I随 而变化的关系为 2 0cos II Ey EX 这就是马吕斯定律 P x y 图 3 2 4 4 实验内容与步骤 实验内容与步骤 1 布儒斯特角的测定 在光具座上 由氦氖激光器发出的光束擦盘直接入射到立在光学测角台直径上的黑 玻璃镜面 先转动测角台 使反射光束原路返回 由此定出入射光束的零度方位 利 用滑动座的升降微调装置适当降低角度盘 然后再从入射角为 10 85 范围内寻找反 射光束通过检偏器后 光强变到最小 甚至为零 时的角度也可直接用白屏观察 这 里的检偏器是一个能在支架上转动的偏振片 支架锁紧在测角台的转臂上 用检偏器 检查任一反射光束 都是偏振光 在改变入射角的过程中 检偏器透振轴指向水平方 向 为什么 为了更准确的测量 可以选取 48 64 角的入射角范围 根据消光 位置找出布儒斯特角 2 马吕斯定律的验证 E 如果光源中的任一波列 用振动平面 E 表示 投射在起偏器 P 上 只有相当于它 的成分之一的 平行于光轴方向的矢量 能够通过 另一成分则被吸 y E cosE E x 收 若投射在检偏器 A 上的线偏振光的振幅为 E0 则透过 A 的振幅为 这里 cosE0 P x y 是 P 与 A 偏振方向之间的夹角 由于光强与振幅的平方成正比 所以透射光强I随 而变化的关系为 2 0cos II 这就是马吕斯定律 实验内容 让激光束垂直通过起偏器成为偏振光 用检偏器检查时 使两个偏振 器的透振方向的夹角 在从 0 转动一周的过程中 用连接光电流放大器的光电探头测 量透射光强的相对值I 每 10 读取一次数据 将数据填入表 二 然后画出I 关 系曲线 或将实验数据输入计算机打印出关系曲线 I 0 50 100 150 200 250 300 350 090180270360 角度 偏振光相对光强 5 5 数据表格及数据处理 数据表格及数据处理 1 1 布鲁斯特角布鲁斯特角 84 34 84 34 140 25 140 25 55 51 55 51 124 55 124 55 181 45 181 45 56 50 56 50 40 40 96 40 96 40 56 40 56 40 56 21 57 56 21 57 和理论上基本符合 不确定度的计算 4 0 0 57 4 0 17 0 3 5 0 3 0 45 5 07 00 09 05 0 22 22222 B BA B A UUU U SU 2 验证马吕斯定律 检流计仍放在4档 在测量过程中也不要换档 将起偏器放在光强最强的位置 在管2另一端 套上检偏器P2并使竖直方向为0 然后旋转检偏器P2使检流计的光强最小 仍在4档可以调为0 此时可以认为P1 与P2偏振方向的夹角为90 记录此时P2偏振方向的绝对角度值 相对角度值 和光强值I 以后每隔10 记录一次 直到P1 与P2偏振方向的夹角为 90 I0为 P1 与P2偏振方向 的夹角为0 时的光强值 作出I I0 cos2 的关系曲线 0 90 0 90 各一条 用最小 二乘法求出斜率和截距 根据马吕斯定律斜率应为1 截距应为0 分析实验的误差 1 90 0 ThetaIpCos 2 9001 06939E 26 8520 0076 806 40 03015 7513 20 06699 70220 11698 6532 20 17861 6044 60 25 5557 60 32899 5071 10 41318 4585 30 5 401000 58682 351130 67101 301260 75 25137 60 82139 20146 80 88302 15154 60 93301 10160 20 96985 5163 30 9924 01641 用Origin线性拟合并分析误差 2 0 90 ThetaIpCos 2 01641 5161 80 9924 10157 10 96985 15150 10 93301 20141 30 88302 25130 20 82139 30118 10 75 35104 40 67101 40900 58682 4575 60 5 5061 40 41318 5548 20 32899 6035 70 25 6523 70 17861 70150 11698 758 30 06699 8030 03015 850 30 0076 900 11 06939E 26 用Origin线性拟合并分析误差 6 注意事