西安交大大物实验偏振光2.docx
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西安交大大物实验偏振光2
偏振光II
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一、实验目的:
本实验主要是利用起偏、检偏元件及光电探测器要求学生:
1.学习掌握偏振光的基本原理、学会用格兰棱镜获得偏振光及检验偏振光的一般方法。
2.根据马吕斯定律验证硅光电池的线性响应。
3.利用布儒斯特定律测量介质的折射率
二、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(即不消光)。
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
4.圆偏振光
如的光矢量在波面内运动的特点是其瞬时值的大小不变,方向以角速度ω(即波的圆频率)匀速旋转,这种光叫做圆偏振光.圆偏振光可看成是两个相互垂直的线偏振光的合成(如图所示)
电矢量表达式为:
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±π/2。
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
=±π/2。
椭圆偏振光退化为线偏振光的条件是:
Ax=0,或Ay=0,或
=0,±π。
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Δ=2π(n0-n1)d/λ,若满足(ne-no)d=±λ/4,即Δ=±π/2我们称之为λ/4片,若满足(ne-no)d=±λ/2,即Δ=±π,我们称之为λ/2片,若满足(ne-no)d=±λ,即Δ=2π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(
i+
b=π/2),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。
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=I0cos2α,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:
本次实验中我们用两块格兰棱镜充当起偏器和检偏器,通过硅光电池的响应电流检测偏光强度的方法来验证马吕斯定律。
三、实验仪器及使用方法:
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。
半导体激光器:
波长为650nm,出射光为部分偏振光。
光电探测器台:
光电探测器平台上可放置分束板或透明薄片,将激光分为2束,一束用于监测光束变化,另一束用来测量。
通过调节分束板或透明薄片的摆放角度,可将激光反射到探测器中用于监测。
起偏器、检偏器(偏振片):
均为格兰偏振棱镜。
棱镜装在镜座内,通过孔径6mm。
偏振棱镜座可以装在360分度盘镜座内,副尺有10个分度。
偏振棱镜前表面已与镜座轴线垂直。
1/4波片使用方法与偏振片类似光具座载物台:
可以放置透明薄片或分束板,作为分光仪器。
读数盘360分度,副尺10个分度。
使用方法类似偏振片的使用光屏:
用于目测观察入射光屏的光强.光电探测器:
光电探测器是孔径25mm的硅光电池。
光电流放大器:
光电信号经插头分别输入光电流放大器的"输入1"和"输入2"。
经放大后用微安表显示。
光电流放大倍数设计为×1,×5,×10,×100四档。
两个放大器装在同一盒子内,由同一电源供电。
四、实验内容:
根据马吕斯定律测定光电池的线性响应:
马吕斯定律:
I=I0
θ,其中θ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。
I1,I2:
D1,D2的光电流读数,θ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。
Φ:
P2盘读数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(电矢量平行入射面)时,才能得到反射率为零的布儒斯特角。
根据布儒斯特定律计算样品折射率并测定样品对P分量反射光的反射率随入射角变化
椭圆偏振光实验:
在起偏器和检偏器中间放入1/4波片,转动P2时,i2(θ)~θ曲线呈椭圆形,即出射光为椭圆偏振光,当1/4波片光轴与入射偏振平面夹角为45o时,出射光为圆偏振光,i2(θ)~θ曲线是圆形。
五、实验数据记录及处理:
(1)表一:
马吕斯定律测定光电池的线性响应
Φ/o
0
350
340
330
θ/o
40
50
60
70
I1/uA
30.0
30.0
30.0
30.0
I2/uA
10.1
7.0
4.3
2.0
θ
0.587
0.413
0.250
0.117
I2/I1
0.333
0.233
0.143
0.067
曲线图见附图。
(2)反射光点最暗时的入射角θb=51.7o,由布儒斯特定律tanθb=n2/n1,得n2=1.27
(3)表二:
样品对P分量反射光的反射率随入射角变化
θ/o
0
10
20
30
40
45
50
55
60
60
I1/uA
26
26
26
26
26
26
26
26
26
26
I2/uA
26
20
13
9
5
2
0
1
1
2
RP
1
0.77
0.50
0.35
0.19
0.08
0
0.04
0.04
0.08
曲线图见附图。
六、实验结论及误差分析
(1)结论1、根据测量结果,I2/I1与
θ呈线性关系,即证马吕斯定理的正确性。
2、实验样品的折射率为1.273、p分量的强度反射率是先下降,在某个特殊角度i时降到0,尔后再上升。
4、在起偏器和检偏器中间放入1/4波片,转动P2时,i2(θ)~θ曲线呈椭圆形,即出射光为椭圆偏振光,当1/4波片光轴与入射偏振平面夹角为45o时,出射光为圆偏振光,i2(θ)~θ曲线是圆形。
(2)误差分析1、毫安表精度不够,读数易出现误差。
2、毫安表换挡时未调零。
七、思考题1.在两块偏振片处于消光位置,再在它们之间插入第三块偏振片,且第三块偏振片的透光方向与第一块透光方向成45°、30°,哪一次光强大一些?
原因是什么?
答:
45°时光强大一些,由马吕斯定律得45o时I1=1/8I0,30°时I2=3/32I0
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