偏振光干涉实验报告.docx
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偏振光干涉实验报告
偏振光干涉实验报告
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(吸收o光,通过e光),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(透振方向),强度为自然光一半的线偏振光。
如图P1、图2所示:
P1P2图1图2θ
A0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(图2所示),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(或振动面)分解为寻常光(o光)和非常光(e光)。
它们具有相同的振动频率和固定的相位差(同波晶片的厚度成正比),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(sin22?
)(1?
cos?
);当M∥N时,即两个偏振片的透振方向平行时,出射4
I0(1?
2sin2?
cos2?
?
2sin2?
cos2?
cos?
)。
其中θ为波片光轴与M2I?
?
光强为:
I//?
透振方向的夹角,δ为o光和e光的总相位差(同波晶片的厚度成正比)。
改变θ、δ中的任何一个都可以改变屏幕上的光强。
当δ=(2k+1)π(1/2波片)时,cosδ=-1,I?
?
强最大,I//?
02sin22?
,出射光I0(1?
sin2?
)2,出射光强最小;当δ=[(2k+1)π]/2(1/4
波片)时,cosδ=0,I?
?
I0I(sin22?
),I//?
0(2?
sin22?
)。
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θ=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
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(5-1)
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(5-2)
(5-2)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),θ为测得的旋光度(0),l为样品管的长度(单位:
dm),C为溶液浓度(单位:
g/100mL)。
由(5-2)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θ透过的长度l成正比。
振动面转过的角度θ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θ就可以计算出旋光率。
如果已知液柱长度为l固定值,可依次改变溶液的浓度C,就
可以测得相应旋光度θ。
并作旋光度与浓度的关系直线θ~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θ,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(单位:
g/100mL)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(纯水,浓度为零),
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(多次测量取平均)。
用最小二乘法对旋光度、溶液浓度进行直线拟合(可以将C0作为1个单位考虑),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(5-2),求得葡萄糖的旋光率[?
]t
6500。
数据记录及处理
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,再透过分析镜后产生光的干涉,在屏幕上显示出具有明暗条纹的映象,根据它即可推算出构件内的应力分布情况,所以这种方法对形状复杂的构件尤为适用。
光弹性实验方法是一种光学的应力测量方法,因为测量是全域性的,所以具有直观性强,能有效而准确地确定受力模型各点的主应力差和主应力方向,并能计算出各点的主应力数值。
尤其对构件应力集中系数的确定,光弹性试验法显得特别方便和有效。
工程实际中有很多构件,例如工业中的各种机器零件,它们的形状很不规则,载荷情况也很复杂,对这些构件的应力进行理论分析有时非常困难,往往需要实验的方法来解决,光弹性试验就是其中比较直观有效的一种解决方法。
实验原理
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,再透过分析镜后产生光的干涉,在屏幕上显示出具有明暗条纹的映象,根据它即可推算出构件内的应力分布情况,所以这种方法对形状复杂的构件尤为适用。
图1光弹性试验的光学效应示意图
如图1所示,自然光通过偏振器成为平面偏振光(在A1平面中),平面偏振光垂直地射在模型上某一O点,如果模型未受力,则光线通过后并无改变,但如果O点有应力,这时将出现暂时双折射现象,如果图O点的二个主应力?
1和?
2方向已知,则平面偏振光通过受力模型O点后,分解成二个与?
1及?
2方向一致的平面偏振光,二者之间产生一光程差δ,光程差与主应力差(?
1-?
2)及模型厚度t成正比,即:
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(见图1)。
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(见图2)。
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(有些各向同性介质,在某种作用下会呈现各向异性,能强烈吸收入射光矢量在某方向上的分量,而通过其垂直分量,从而使入射的自然光变为偏振光介质的这种性质称为二向色性。
)。
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α,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=A0cosɑ,强度I=A,I=A0cosɑ=I
20
22
2
cosɑ=cosɑ式中I0为进入检偏器前(检偏器无吸收时)线偏振光的强度。
22
这就是1809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I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0。
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2ɑ(ɑ为入射光振动面与波片光轴的夹角,下同);
当平面偏振光同过1/4波片后,产生偏振光的性质与ɑ相关:
ɑ=0时:
出射光为振动方向平行1/4波片光轴的平面偏振光。
ɑ=21/4波片光轴的平面偏振光。
ɑ=4ɑ为其他值时,出射光为椭圆偏振光。
ππ
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(即一组不同的角度和其对应得光电流值作图),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。
实验十三偏振光干涉演示实验
【实验目的】:
学习偏振光干涉原理。
【实验仪器】:
偏振光干涉演示仪
图13偏振光干涉演示仪
【实验原理】:
偏振光干涉演示仪内的图案分两种:
(1)层数的薄膜叠制而成的蝴蝶、飞机、花朵等图案(中心厚,四边薄),薄膜内部的残余应力分布均匀。
(2)光弹性材料制成的三角板和曲线板,厚度相等,但内部存在着非均匀分布的残余应力。
白光光源发出的光透过第一个偏振片后变成线偏振光。
线偏振光通过这些模型后产生应力双折射,分成有一定相差且振动方向相互垂直的两束光。
这两束光通过最外层的偏振片后成为相干光,发生偏振光干涉。
对于蝴蝶、飞机、花朵等模型,由于应力均匀,双折射产生的光程差由厚度决定,各种波长的光干涉后的强度均随厚度而变化,故干涉后呈现于层数分布对应的色彩图案。
对于三角板和曲线板,由于厚度均匀,双折射产生的光程差主要与残余应力分布有光,各波长的光干涉后的强度随应力分布而变,则干涉后呈现与应力分布对应的不规则彩色条纹。
条纹密集的地方是残余应力比较集中的地方。
U形尺的干涉条纹类似于三角板和曲线板,区别在于这里的应力不是残余应力,而是实时动态应力,所以条纹的色彩和疏密是随外力的大小而变化的。
利用偏振光的干涉,可以考察透明元件是否收到应力已经应力的分布情况。
转动外层偏振片,即改变两偏振片的偏振方向夹角,也会影响各种波长的光干涉后的强度,使图案颜色发生变化。
【实验步骤】:
1.轻地从仪器上方抽出仪器内的两种图案,看到它们都是由无色透明的材料制成,原样放回;
2.打开光源,这时立即观察到视场中各种图案偏振光干涉的彩色条纹;
3.旋转面板上的旋钮,观察干涉条纹的色彩也随之变化;
4.把透明U形尺从窗口放进,观察不到异常,用力握U形尺的开口处,立即看到在尺上出现彩色条纹,且疏密不等;改变握力,条纹的色彩和疏密分布也发生变化。
【注意事项】:
取玻璃片也小心轻放,注意安全。
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