322112818421光的偏振剖析Word格式文档下载.docx
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当9为其它值时,透射光强介于0〜I。
之间。
3.1/4波片、圆偏振光和椭圆偏振光
双折射起偏
如图所示,某些单轴晶体(如方解石和石英等)具有双折射现象。
当一束自然光射到这些晶体上时,在界面射入晶体内部的折射光常为传播方向不同的两束折射光线,其中一束折射光始终在入射面内其振动垂直于传播方向,遵守折射
定律,为寻常光(或0光);
另一束折射光一般不在入射面内且不遵守折射定律,其振动在主平面内,称为非常光(或e光)。
研究发现,这类晶体存在这样一个方向,沿该方向传播的光不发生双折射,该方向称为光轴。
如图所示,一束平行的线偏振光垂直入射到一块厚度为d,表面平行于自身光轴的单轴晶片上时,光在晶体内分解为o光与e光,o光和e光沿同一方向前进,但传播速度不同,因而会产生光程差位相差,
<
5=一叫M
光程差△=(□。
-ne)d,相应的位相差为,d为晶片厚度式中,入为光在真空中的波长,「和S分别为晶片对o光和e光的主折射率。
经晶片射出后,o光和e光合成的振动随位相差的不同,就有不同的偏振方式。
(在偏振技术中,常将这种能使互相垂直的光振动产生一定位相差的晶体片叫做波片)。
当光刚刚穿过晶体时,此两光的振动可分别表示如下:
E.=A0coswt
式中Ae=Acosa,Ao=Asina,由两式消去t,得轨迹方程
光通过晶片后o光和e光的合成光矢量在晶片出射界面上的矢端轨迹为
这是个一般的椭圆方程。
当改变厚度d时,光程差△亦改变
上式表明由晶片出射的光一般为椭圆偏振光,随位相差的不同表现为不同的椭圆形态,如图所示。
适当选择晶片的厚度d,可使线偏振光通过晶片后出射光具有不同的偏振态。
故出射光为平面偏振光,与原入射光振动方向相同,满足此条件之晶片称为全波片。
线偏振光经过全波片后,出射光仍为线偏振光。
光通过全波片不发生振动状态的变化。
(2)1/2波片。
当晶片厚度d满足光程差△=(2k+1)入12(k=0,1,2,……),爲戸于时,
I…-一0该晶片称为1/2波片或半波片。
线偏振光经过1/2波片后,出射光为
、Ad*
线偏振光,但振动面转过2a角。
若a=45°
,则出射光的振动面与入射光的振动面垂直。
⑶1/4波片。
光晶片厚度满足光程差△=(2k+1)入/4(k=0,1,2,••…),产生相位差―士心:
?
时,
线偏振光经波片后,出射光一般为椭圆偏振光,椭圆的两轴分别与晶体的主截面平行及垂直
由于0光和e光的振幅是a的函数,所以通过1/4波片后的合成偏振状态也将随角度a变化.
当a=n/4时,出射光为圆偏振光(0光,e光分量的振幅相等)•若总二乙,于是,
e2e2^a2出射光为圆偏振光。
xy
当a=0或n/2时,线偏振光不论经过何种波片后,出射偏振态不变。
当a=i.时,出射光为振动方向平行1/4波片光轴的平面偏振光。
(只有平行于光轴的分量,不分解)
当a时,出射光为振动方向垂直于光轴的平面偏振光。
(只有垂直于光轴
的分量,不分解)
a0,n/4,n/2――当a为其它值时,出射光为椭圆偏振光。
(正椭圆)
(1)若入射为线偏振光,则出射光一般为椭圆偏振光。
(2)若入射为圆偏振光,则出射光为线偏振光。
(3)若入射为椭圆偏振光,则出射光一般仍为椭圆偏振光。
用四分之一波片,从线偏振光可获得正椭圆或圆偏振光,也可以从正椭圆或圆偏
振光获得线偏振光。
因为合成正椭圆或圆偏振光的两个垂直分量已经有了相位差n/2,经1/4波片以后,又有土n/2的相位差,所以出来的就是0或n的相位差,是线偏振光。
4.旋光现象
线偏振光通过某些物质(如石英、氯酸钠等晶体或糖溶液松油,葡萄糖液等),偏振光的振动面将以光的传播方向为轴旋转一定的角度,但还是线偏振光,这种现象称为旋光现象.旋转的角度?
称为旋转角或旋光度。
旋光率:
表征旋光物质的旋光能力大小的量。
用线偏振光通过单位厚度旋光物质后其偏振面
旋转的角度表示。
单位为度/mm或度/cm,表示对某一特定波长,单位厚度的材料可旋转的角度.
线偏振光的相角等于n,y轴上的分量与x轴的分量呈线性关系。
实验证明,线偏振光通过旋光性溶液后,其旋光度与溶液的化学浓度c成正比,
也与光所通过的液体层厚度L成正比,即?
=acL.式中?
的单位是°
(度),
c的单位是g/cm3,1的单位是dm(10cm),a表征了物质的旋光性质,称
为旋光率.若已知待测旋光性溶液的浓度c和液层厚度L,测出旋光度?
后,就
可求出其旋光率。
某些晶体(如石英晶体)也具有旋光性质,其旋光度?
=ad,其中d为晶体
通光方向的厚度,单位为毫米(mm)。
a――旋光率,d――旋光物质的长
度•
在一定温度下,旋光率与入射光波长成反比,即随波长入的减小而迅速增大,
故一般用钠黄光(入=589.3nm)测定旋光率。
旋光率a与温度及浓度有关。
四.实验内容
1.观察光的偏振特性及验证马呂斯定律
(1)将二维可调半导体激光器,偏振架1(起偏器),偏振架2(检偏器),激光功率指示计光探头依次排列.
(2)将二维可调半导体激光器,激光功率指示计光探头分别与激光功率指示计相连.
(3)打开激光功率指示计电源,激光输出.调整激光指向和各架子高度,使激光从二个偏振片的中心通过,进入激光功率指示计光探头.
(4)旋转检偏器,记录下角度与功率的关系曲线,以验证马呂斯定律
表测量数据表格
固定起偏器,转动检偏器到光电流为最大值•开始测量,每转15°
测量一次光电流的数值。
将测量结果记入数据表格。
9
0°
15°
30°
45°
60°
75°
90。
PI
Cos9
|-|min
二二—
■丄—
(5)以;
为纵坐标,cos29为横坐标作图。
如果图线为通过坐标原点的直
线,则表明马呂斯定律已被验证。
2.
线偏振光通过1/2波片时的现象和1/2波片的作用
在光具座上按图放置各元件,在未放入1/2波片时,使检偏器与起偏器正交,
光屏上呈现消光现象。
插入1/2波片后,转动1/2波片观察光屏。
调节波片至呈
现消光现象,此时为初始角度。
再将1/2波片从初始位置转10°
破坏消光,然后转动检偏器至消光位置。
记下检偏器所转过的角度。
依次类推,将转动1/2波片20°
,记下达到消光时检偏器转过的角度。
数据记录表格如下:
波片转角
10
20°
40°
50°
70°
80°
90°
检偏器转角
若检偏器固定,将1/2波片转过360°
,能观察到几次消光?
若1/2波片固定,
将检偏器转过360。
,能观察几次消光?
由此分析线偏振光通过1/2波片后,光的偏振状态是怎样的?
3.1/4波片的光学特性
圆偏振光和椭圆偏振光的产生与检验
(1)在实验1基础上,旋转检偏器使激光完全不能通过,进入消光状态.
(2)在起偏器和检偏器之间插入1/4波片。
这时可能有部分光通过检偏器
(3)旋转1/4波片,使系统重新进入消光状态。
(4)记下消光状态时的1/4波片方位角度.
(5)旋转检偏器记录下光强的变化(对理想状态光强应无较大变化,近似为一圆偏振光).
以系统消光状态时波片光轴位置为起点,转动1/4波片;
使其光轴与起始位置的
夹角依次为0°
、15°
、30°
、45°
、60°
、75°
、90°
时,分别将R转动一周,根据你看到的光斑明暗变化情况,记入下面的表格中,并对P2的出射光偏振态
分别作出判断。
表用1/4波片观察光强变化表
1/4波片转
角
P2转一周,
透射光强是否变化?
出现几次消光?
出射光偏振态
:
:
4.半导体激光器的偏振特性
(1)在实验1的基础上取下起偏器•
(2)旋转检偏器,记录功率最大值和最小值,以及所对应的角度,以此求出半导体激光的偏振度.
偏振度P=(lmax-lmin)/(Imax+lmin)。
I为某一方向上的光强。
自然光和平面偏振光的检验
(1)将平行光直接射到偏振片上,以其传播方向为轴转动偏振片一周,用眼睛直接观察透射光强度的变化。
(2)在第一个偏振片的后面放上第二个偏振片,再转动偏振片一周(转动任意一个都可以),用眼睛直接观察透射光强度变化情况。
将两次观察结果记入表进行比较,并作出结论。
表观察光波变化表
偏振片
P转一周,透射光强是否变化?
P转动一周,出现几次消光?
入射光偏振态
放一个
放二个
5.物质的旋光特性
(1)在实验1基础上,旋转检偏器,使系统进入消光状态•
(2)将旋光晶体放入起偏器和检偏器之间,观察检偏器后的透光情况.
(3)旋转检偏器,使系统再次进入消光状态.记录下旋转的角度.求出晶体的旋光率.
五.【预习思考题】
1.光的偏振现象说明了什么?
一般用哪个矢量表示光的振动方向?
2.偏振器的特性是什么?
何谓起偏器和检偏器?
3.产生线偏振光的方法有那些?
将线偏振光变成圆偏振光或椭圆偏振光要用何种器件?
在什么状态下产生?
实验中如何判断线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光?
【思考题】
1•求下列情况下理想起偏器和理想检偏器两个光轴之间的夹角为多少?
(1)透射光是入射自然光强的1/3。
(2)透射光是最大透射光强度的1/3。
2.如果在互相正交的偏振片P1和P2中间插进一块1/4波片,使其光轴跟起偏器
P1的光轴平行,那么透过检偏器P2的光斑是亮的?
还是暗的?
为什么?
将P2转
动90°
后,光斑的亮暗是否变化?
3.在第2题中用1/2波片代替1/4波片,情况如何?
使光电接收器的接收光功率最大,以此位置作为初始转角(9=0°
)o记录不同转角时的接收光功率。
旋转检偏器,转动检偏器,
I(mW
Iocos9
Er
3.线偏振光通过1/2波片时的现象和1/2波片的作用(图3)
附件:
参考表格
“光的偏振实验”参考表格
实验内容:
2.验证马呂斯定律(l=locos29)(图2)
邀光耀
C=D
P1
P2
厂光电接收器
)C3
先使检偏器与起偏器正交,在光屏上呈现消光现象。
然后插入并转动1/2波片,
使再次出现消光现象,此时为初始角度。
再将1/2波片旋转10,破坏消光,然后转动检偏器至消光位置。
依次类推,将1/2波片转
动不同角度,记下消光时检偏器所转过的角度。
1/2波片转角
10°
20°
检偏器转角
若检偏器固定,将1/2波片转过360°
能观察到几次消光?
若1/2波片固定,将检偏器转过360°
由此分析线偏振光通过1/2波片后,光的偏振状态是怎样变化的
4.1/4波片的光学特性(图4)
旋转检偏器使系统进入消光状态。
然后在起偏器和检偏器之间插入1/4波片,这时可能有部分光通过检偏器。
旋转1/4波片,使系统重新进入消光状态。
以此位置为起点,转动1/4波片,使其光轴与起始位置的夹角依次为0°
、45°
、60°
、75°
时,分别将P2转动一周,观察出射光的强度变化,并对检偏器出射光的偏振态分别作出判断。
1/4波片转角
P2转一周,透射光强是否变化?
P2转一周,出现几次消光?
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