偏振光特性的研究

光学设计性实验论文偏振光特性的研究摘要：实验目的：（一）学习用光电转换的方法测定相对光强,验证马吕斯定律。（二）研究1/4波片的光学特性（三）研究半导体激光器的偏振特性（测出其偏振度）（四）研究物质的旋光特性（五）观察石英晶体的旋光特性和测量旋光度（六）观察旋光色散，并解释现象实验要求：（一）掌握各种偏振光的特性。（二）学会辨别各种偏振光。（三）了解偏振光干涉和双折射现象关键词：偏振、马吕斯定律、1/4波片、偏振特性、偏振度、旋光特性、旋光色散。引言：光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性质，而光的偏振现象进一步验证了光波是横波。我们研究偏振现象不仅可以认识光的电磁波性质，而且可以对光的传播规律有许多新的认识。实验原理：1．偏振光的种类光是电磁波，它的电矢量E和磁矢量H相互垂直，且又垂直于光的传播方向．通常用电矢量代表光矢量，并将光矢量和光的传播方向所构成的平面称为光的振动面．按光矢量的不同振动状态，可以把光分为五种偏振态：如光矢量沿着一个固定方向振动，称为线偏振光或平面偏振光；如在垂直于传播方向的平面内，光矢量的方向是任意的，且各个方向的振幅相等，则称为自然光；如果有的方向光矢量的振幅较大，有的方向振幅较小，则称为部分偏振光；如果光矢量的大小和方向随时间作周期性的变化，且光矢量的末端在垂直于光传播方向的平面内的轨迹是圆或椭圆，则分别称为圆偏振光或椭圆偏振光．能使自然光变成偏振光的装置或器件，称为起偏器；用来检验偏振光的装置或器件，称为检偏器．2．线偏振光的产生(1)反射和折射产生偏振根据布儒斯特定律，当自然光以nibarctan的入射角从空气或真空入射至折射率为n的介质表面上时，其反射光为完全的线偏振光，振动面垂直于入射面，而透射光为部分偏振光，bi称为布儒斯特角．如果自然光以bi入射到一叠平行玻璃片堆上，则经过多次反射和折射最后从玻璃片堆透射出来的光也接近于线偏振光．玻璃片的数目越多，透射光的偏振度越高．(2)偏振片它是利用某些有机化合物晶体的“二向色性”制成的．当自然光通过这种偏振片后，光矢量垂直于偏振片透振方向的分量几乎完全被吸收，光矢量平行于透振方向的分量几乎完全通过，因此透射光基本上为线偏振光．(3)双折射产生偏振当自然光入射到某些双折射晶体(如方解石、石英等)时，经晶体的双折射所产生的寻常光(o光)和非常光(e光)都是线偏振光．3．波晶片波晶片简称波片，它通常是一块光轴平行于表面的单轴晶片，一束平面偏振光垂直入射到波晶片后，便分解为振动方向与光轴方向平行的e光和与光轴方向垂直的o光两部分(如图1所示)．这两种光在晶体内的传播方向虽然一致，但它们在晶体内传播的速度却不相同(为么?)．于是，e光和o光通过波晶片后就产生固定的相位差，即lnnoe)(2式中为入射光的波长，l为晶片的厚度，en和，on分别为e和o光的主折射率。对于某种单色光，能产生相位差2)12(k的波晶片，称为此单色光的1／4波片；能产生)12(k的晶片，称为1／2波片；能产生k2波晶片，称为全波片．通常波片用云母片剥离成适当厚度或用石英晶体研磨成薄片．由于石英晶体是正晶体，其o光比e光的速度快，沿光轴方向振动的光(e光)传播速度慢，故光轴称为慢轴，与之垂直的方向称为快轴．对于负晶体制成的波片，光轴就是快轴．4．平面偏振光通过各种波片后偏振态的改变由图1可知一束振动方向与光轴成角的平面偏振光垂直入射到波片上后，会产生振动方向相互垂直的e和o光，其E矢量大小分别为cosEEe、sinEEo，通过波片后，二者产生一附加相位差．离开波片时合成波的偏振性质，决定于相位差和．如果入射线偏振光的振动方向与波片的光轴的夹角为0和2/，则任何波片对它都不起作用，即从波片出射的光仍为原来的线偏振光．而如果不为0或2/，线偏振光通过1／2波片后，出来的也仍为线偏振光，但它振动方向将旋转2，即出射光和入射光的电矢量对称于光轴．线偏振光通过1／4波片后，则可能产生线偏振光、圆偏振光和长轴与光轴垂直或平行的椭圆偏振光，这取决于入射线偏振光振动方向与光轴夹角.5．偏振光的鉴别鉴别人射光的偏振态须借助于检偏器和1／4波片．使入射光通过检偏器后，检测其透射光强并转动检偏器：若出现透射光强为零(称“消光”)的现象，则入射光必为线偏振光；若透射光的强度没有变化，则可能为自然光或圆偏振光(或两者的混合)；若转动检偏器，透射光强虽有变化但不出现消光现象，则入射光可能是椭圆偏振光或部分偏振光．要进一步作出鉴别，则须在入射光与检偏器之间插入一块1／4波片．若入射光是圆偏振光，则通过4/1波片后将转变成线偏振光(为什么?)，转动检偏器时就会看到消光现象；否则，就是自然光．若入射光是椭圆偏振光，当1／4波片的慢轴(或快轴)与被检的椭圆偏振光的长轴或短轴平行时，透射光也为线偏振光(为什么?)，于是转动检偏器也会出现消光现象；否则，就是部分偏振光．实验过程：(一)观察光的偏振现象、起偏和检偏实验步骤：1、调整偏振光实验仪。2、在光源和接收器之间放置起偏器、检偏器，旋转检偏器观察到光强发生变化，由偏振片转盘刻度可知，当起偏器、检偏器的偏振方向平行时，光最强，偏振方向垂直时，光最暗。3、将检偏器旋转一周，光强变化四次，两明两暗。实验结论：光通过起偏器后成为偏振光。（二）学习用光电转换的方法测定相对光强,验证马吕斯定律实验步骤：1、将激光器、起偏器、检偏器、功率指示计光探头依次排列。2、将激光器、功率指示计探头分别与功率指示计相连。3、打开功率指示计电源，激光输出。调整激光指向和各架子的高度，使激光从两个偏振片的中心通过，进入功率指示计探头。4、旋转检偏器，记录下角度与功率的关系曲线，以验证马吕斯定律。实验数据处理：090075060045030015000I00.120.480.961.451.821.982cosI00.130.490.991.481.841.98实验分析：在误差允许范围内，0I的分布曲线满足余弦曲线，即马吕斯定律得证。（三）研究1/4波片的光学特性实验步骤：1、在实验一的基础上，旋转检偏器使激光完全不能通过，进入消光状态。2、在起偏器与检偏器之间加入1/4波片，这时可能会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1/4波片方为角度，并旋转045。5、旋转检偏器记录光强的变化。实验数据处理：1\4波片转角P2旋转一周，透射光强是否变化P2旋转一周，出现几次消光光的偏振特性015有0椭圆偏振光030有0椭圆偏振光045无0圆偏振光060有0椭圆偏振光075有0椭圆偏振光090有2线偏振光实验分析：平面偏振光通过1/4波片后，透射光一般是椭圆偏振光，当=045时（为线偏振光的振动方向与波片光轴的夹角），则为圆偏振光；但当=00和090时，椭圆偏振光退化为平面偏振光。也就是说，1/4波片可将平面偏振光变成椭圆偏振光或圆偏振光；也可将椭圆偏振光或圆偏振光变成平面偏振光。(四)研究半导体激光器的偏振特性（测出其偏振度）实验步骤：1、在实验一的基础上取下检偏器。2、旋转检偏器，记录下功率最大值和最小值，以及对应的角度，求出半导体激光器的偏振度。实验数据处理：=00时有最大值，maxI=0.34=090时有最小值，minI=0.001则偏振度P=maxminmaxmin_IIII=0.994实验分析：半导体激光器实际是非严格的线偏振光。（五）石英的旋光特性研究实验步骤：1、在实验一的基础上，旋转检偏器，使系统进入消光状态，记录检偏器角度位置。2、将旋光晶体放入起偏器与检偏器之间，观察检偏器投射情况。3、旋转检偏器，使系统再次进入消光，记录旋光角度，求出旋光率。实验数据处理：=098L=3mm=/L=32.667度/毫米(六)观察石英晶体的旋光色散实验步骤：1、将实验五中实验的光源换位白光光源，探头换位白屏。1.旋转检偏器，同时观察白屏上灯光颜色的变换。实验数据处理：在旋转检偏器的过程中，白屏上光的颜色由青到黄，由黄到红，由红变紫，由紫变蓝，由蓝再变青，如此循环变化。实验分析：任何一个直线简谐运动可以看作是两个相反方向旋转的同频率的圆周运动的组合，认为：沿晶体光轴方向传播的直线偏振光也可以看作是由两个同频率、旋向相反的原偏振光组成。在旋光晶体中，这两种偏振光有不同的传播速度.当线偏振光通过某些物质时，其振动面将以光的传播方向为轴发生旋转,出现旋光现象。（七）用旋光特性测定液体(糖溶液)浓度实验步骤：1．测定旋光系统的零点。在实验一的基础上，在起偏器和检偏器之间放入容器。旋转检偏器，使系统达到消光的状态。2．测定标准溶液的旋转角度。在容器中注入标准溶液，这时有部分光通过检偏器。旋转检偏器使系统再次达到消光状态，记录旋光的角度03．再次测定旋光系统的零点。4．测定待测溶液的旋转角度。在容器中注入待测溶液，这时有部分光通过检偏器。旋转检偏器使系统再次达到消光状态，记录旋光的角度1由公式=c可得：1c=0c1/0实验数据处理：0=051=096．25g蔗糖配置25ml溶液，求未知蔗糖溶液浓度。已知0c=1.39mol/L得1c=2.50mol/L结论与展望：自然光通过偏振片P之后，只有振动方向与偏振片的透振方向一致的光才能顺利通过，也就是说，通过偏振片P的光波，在垂直于传播方向的平面上，沿着某个特定的方向振动，这种光叫偏振光。通过偏振片P的偏振光，再通过偏振片Q，如果两个偏振片的透振方向平行，则可以通过；如果两个偏振片的透振方向垂直，则不能透过Q（如图-1所示）。根据偏振光的这个特性，在实际中有很多用途。自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时，反射光和折射光都是偏振光，而且入射角变化时，偏振的程度也有变化。在拍摄表面光滑的物体，如玻璃器皿、水面、陈列橱柜、油漆表面、塑料表面等，常常会出现耀斑或反光，这是由于反射光波的干扰而引起的。如果在拍摄时加用偏振镜，并适当地旋转偏振镜片，让它的透振方向与反射光的透振方向垂直，就可以减弱反射光而使水下或玻璃后的影像清晰。夜晚，汽车前灯发出的强光将迎面驶来的汽车司机照射得睁不开眼睛，严重影响行车安全。若考虑将汽车前灯玻璃改用偏振玻璃，使射出的灯光变为偏振光；同时汽车前窗玻璃也采用偏振玻璃，其透振方向恰好与灯光的振动方向垂直，这样司机不仅可以防止对方汽车强光的刺激，也能看清自己车灯发出的光所照亮的物体。偏振光通过一些介质后，其振动方向相对原来的振动方向会发生一定角度的旋转，旋转的这个角度叫旋光度，旋光度与介质的浓度、长度、折射率等因素有关。测量旋光度的大小，就可以知道介质相关物理量的变化。如图-4所示为电子手表等的液晶显示器，两块透振方向互相垂直的偏振片当中插进一个液晶盒，盒内液晶层的上下是透明的电极板，它们刻成了数字笔画的形状。外界的自然光通过第一块偏振片后，成了偏振光，这束光在通过液晶时，如果上下两液晶片间没有电压，光的偏振方向会被液晶旋转90°，于是它能通过第二个偏振片。第二个偏振片的下面是反射镜，光线被反射回来，这时液晶盒看起来是透明的。但如果在上下两个电极间有一定大小的电压时，液晶的性质就改变了，旋光性消失，于是光线不能通过第二个偏振片，这个电极下的区域就变暗，于是就显示出了数字。实验感想：物理是一门以实验为基础的基础性学科，所以实验对于物理的学习至关重要。通过本次设计性试验，我学会了自主设计方案，解决问题的方法。在预习的过程中查找了大量资料，深刻认识了偏振光，掌握各种偏振光的光学特性。能够利用一些仪器自主判断各种偏振光，并可以利用偏振光的基本特性去研究其他物质的特性。这次设计性实验，让我认识到自己知识的不足，以及在日常实验过程中对老师的依赖性。通过本次设计性实验，培养了我自主学习的能力。大学物理实验应该更多的培养学生自主解决问题的能力因此我个人觉得学院应该更多的开展此类自主设计性实验，从而是学生能力得到更多的提高。参考文献：【1】张山彪基础物理实验科学出版社2009-8【2】李强大学物理实验西南交通大学出版社2010