清华大学偏振光学实验完整实验报告

《清华大学偏振光学实验完整实验报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《清华大学偏振光学实验完整实验报告（10页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、工物53李哲 2015011783 16号1实验目的：(1) 理解偏振光的基本概念，在概念以及原理上了解线偏振光，圆偏振光以及 椭圆偏振光，并了解偏振光的起偏与检偏方法。以及线偏振光具有的一些性质。(2) 学习偏振片与玻片的工作原理。2. 实验原理：(1) 光波偏振态的描述： 单色偏振光可以分解成两个偏振方向垂直的线偏振光的叠加：E二a coso t与气=cosQdf + 8)(其中5是两个偏振方向分量的相位延X 1Y 1迟，a ,a为两个光的振幅)，由其中的a ,a ,8就可以确定这个线偏振光的性质。1 2 1 28=兀或8 = 0就为线偏振光，a】,8 为圆偏振光(就是光矢量的顶点绕其中点

2、做圆周运动，依然是偏振光)，而一般情况下是椭圆偏振光。上述式子通常描述的是椭圆偏振光，而本实验通过测量椭圆的长轴方位角屮以及椭圆的短半轴与长半轴的比值对于椭圆偏振光进行描述。其计算式是：arctanGan 20-cos8)b 2 _2a 21 + Jl -(sin 8 -sin 2p而对于实验中的椭圆偏振光而言，其光强在短轴对应的方向最小，在长轴的对 应方向最大，所以可以通过使这个椭圆偏振光通过一个偏振片，并调整偏振片 的透射轴方位，测量其最大最小值，就可以知道其长轴短轴的比值。又由于光 强与振幅的平方成正比，所以测得的光强的比值是长轴短轴之比的平方。(2) 偏振片： 理想偏振片：只有电矢量振

3、动方向与透射轴平行方向的光波分量才能通过 偏振片。实验中的偏振片不是理想化的，并不能达到上述的效果，当入射光波的振 动方向与透射轴平行时，其透射率不能达到1，当垂直于透射轴时，其透射率不 是0。所以对于偏振片有主透射率以及消光比两个量进行描述。主透射率T, T指沿透射轴或消光轴方向振动光的光强透射率。两者的比值12是消光比 e 。 对于起偏器而言，其并不是理想的偏振片，但是其消光比是在10-4-10-5的量 级，所以透过起偏器的光依然可以视为线偏振光。 计算消光比需要用到马吕斯定律：4_1 T)cos20 + TU122而完全非偏振光经过两个透射轴成0 角且主透射率相同的偏振器后，总透射率：T

4、 二 T2 + T2Cos20 + TT sin200 2 1 2 1 2实验中只需要测定两个偏振片透射轴相互垂直以及平行时的总透射率的比 值（此时光强的值为最小值和最大值）I2T T1 2就可以得到消光比：严=（T2 + T2 ）= 卷2emax 12（因为光强是保持不变的，所以总光强当做分母消掉了，就会有上式，也说明实验中提前预热对于实 验的准确性非常重要）。（3）延迟器以及玻片： 延迟器：材料是线性双折射材料，具有两个相互垂直的特定方向，慢轴以及快轴。当光波在延迟器中传播的时候，振动方向沿着这两个轴的偏振分量由 于线性双折射材料的性质，所以会有不同的折射率，因此振动方向相互垂直的 这两个

5、分量的光具有不同，当通过一定厚度的这样的延迟器时，会 产生一定的光程差：*L =,因此两个轴的分量将会产生相位延迟S厂。So n 其计算值：Sr =sc0振动方向平行于快轴或者慢轴方向的偏振光经过延迟器后，其振动状态不 变。利用这个原理可以定出延迟器的快轴或者慢轴的方向。将延迟器放在两个正交 的偏振器之间，旋转延迟器，消光，则可以知道延迟器的一个轴平行于偏振片 的一个轴。 其延迟相位的测量方法：入射一束方位角为0的线偏振光，经过玻片后， 可以通过测得光强极值（通过硅光片通过光电效应，产生的与光强成正比的光 电流的测量）的比值min /1 max，得：sin Sr2. /min max sin（

6、2 卩丿1 +1I） min * max 0=兀而且应注意：当H 4时，由于cosS r沁0，测量椭圆的长短轴之比会有兀较大的误差。因此测量让入射光的偏振方向与玻片的轴成一个稍小于7的角度。（4）反射和折射的起偏现象（布儒斯特角）： 将入射的电矢量分解成平行以及垂直于入射面的两个分量，其光强反射率 具有以下公式：tan -0 ）tan +0）itsin -0 )sin +&)it由上式可以知，当& i二arctan n=& B时，没有平行于入射面的反射光。可以利用这个原理判定布儒斯特角，当利用起偏器使入射光只有振动平行于入 射面的偏振光，并且此时入射角满足布儒斯特定律，就不会产生反射光，可以

7、通过检验反射光的消失，判定布儒斯特角的大小。实验中可以通过这个定理判定偏振器透射轴的方向，当已经得到布儒斯特 角的时候，固定小平台，使棱镜不发生转动，然后可以调整P盘，使屏上光点 最暗(或消失)，这个时候就可以知道此时偏振片透射轴的方向平行于入射面， 然后记录下此时P盘上的度盘方位度数。3. 实验器材：(1) 半导体激光器：本实验的半导体激光器产生的是近似维线偏振光，光的偏 振方向在椭圆形光斑的长轴方向。而且为了减小输出光强的波动影响，实验前 要预先点燃激光器，5-10 分钟后开始实验，并且在实验的过程中不能够关闭激 光器，而且眼睛不能直视激光，防止眼底被灼伤。(2) 起偏器A与起偏器P：读数

8、窗口有三圈示数，中间是游标。中央偏振片与外圈联动，度数的精度是。(3) 有两个I/4玻片C0，CX。Co为快轴大致方向已经由白点标出的玻片，C X 是未知快轴方向的玻片。(4) 硅光电池，数字电压表和电阻箱：硅光电池与电阻相串联，电阻箱与数字 电压表并联。光照会导致硅光电池产生光电流，当负载较小的时候，产生的光 电流与光强成正比。可以通过读取数字电压表的示数大致了解光电流的大小， 光强的比值也与光电流的大小成正比，所以数字电压表示数的比值可以反映之后测量的min max的值。4.实验步骤：(1) 打开激光器预热5-10分钟，保证在测量过程中，激光器产生激光的光强 稳定，并且调整好激光器偏振方向

9、的方位(让激光束椭圆斑的长轴方向逆时针 与水平方向夹角为30 - 35这样可以使光经过起偏器后光强不是很小，影响实 验的进行)。(2) 调整起偏管以及检偏管的方位，使激光从光源出发通过起偏管与检偏管中 心。(3) 调节小平台下部螺丝，使小平台与分光计主轴基本垂直，保证放下反射试 块后，其试块平面与分光计主轴平行。(4) 首先确定入射角是 的时候其相应的方位角。在平台上放置棱镜，将一 纸片(纸片的面积要相对较大)上戳一个洞，在含起偏器P的椭圆盘的管口处， 将纸片上的小洞对准激光的斑点。此时可以在纸片上观察到一个很小的亮点，以及激光打在纸片上的大亮斑。后旋转圆盘的内圈，使小亮点与大亮斑重合，记录下

10、此时的方位角然后取下纸片，将纸片遮挡在分光计的一侧做一个 i=0屏，后旋转平台（带动棱镜旋转）约57。，然后通过不断地微调入射角9 .以及 起偏器的方位角，使屏上的光斑消失（因为这个时候入射光只有振动方向平行 于入射面的分量，而这个时候该光的反射率为 0，所以会产生消光的现象），记 下此时的平台方位角度数a B，然后通过差值6-a 得到布儒斯特角（这BBB i 二0样通过差值的计算也可以减小实验的误差，并且能简化实验的步骤）。（5）定偏振器的透射轴方向：上述实验之后，可以知道起偏器P的透射轴一定位于水平方位方向（有上述布 儒斯特角产生的条件可以知道）。而后在原来的装置基础上来回转动度盘，重复

11、测量六次透射轴水平对应的度盘的度数，并且取平均值作为透射轴水平时P盘 的方位角。并将P盘放置在平均值位置，然后撤去棱镜，打开光强探测器，转 动检偏器A所在的度盘使所测得光强为最小值，这个时候A盘与P盘的透光轴的方向相互垂直，记下A盘的度盘度数a ：6）e测量消光比这个时候保留P盘不转动，转动A盘依次记录下透射光强的极大值和极小值。然后利用：minmax2TT1 2 =2 + T 2/122e1 + e 2沁2e式子计算出消光比。（7）测量透射光强与两个偏振片夹角间的关系：9 = 0 ,15。,30 ,45 ,60 ,75。,80 ,84 ,87 ,90 当两个偏振片间的夹角分别为： 计算出此时

12、A盘所应该对应的角度（注意要在A盘对应的盘的角度上加上90度， 因为两者初始状态透光轴是相互垂直的，所以加上 90度使两者水平），然后旋 转A盘，到达相应的角度，测量此时数字电压表对应的示数（反映了其光强的 大小）。然后做出曲线，探寻其规律。C（8）定波片的快轴方向：C在P盘的一端装上，然后使P盘与A盘调整到透光轴相互垂直的方向，然后CC旋转 0，观察数字电压表的示数，使其示数最小。这个时候就知道 0的一个 轴就已经平行于P的透射轴方向。并且读出此时快轴度盘的示数。（9）线偏振光经过0.25玻片： 此时是观测线偏振光通过0.25玻片后偏振态的改变，使起偏器与慢轴的夹角为9 = 0,22.5,4

13、5,67.5,43时，先计算出起偏器所对应的P盘应具有的度数， 然后旋转其到其相应的度数，旋转 A 盘，测量数字式电压表对应的最大值以及 最小值。通过这两个值就可以计算出透射光所形成的椭圆偏振光的长轴方位角以及椭圆偏振光长短轴相应的比值。C（10）定待测玻片 的轴方向： 此时将该待测玻片放在小平台上，使光束垂直透过，定出其某一轴在竖直方向 时的度盘示数。（11）观测偏振光通过半玻片或者全玻片的现象：CC0 C X使 快轴方向与X某轴方向平行，而后扭动P盘的方位角，使入射的线偏振 光角度发生改变，而后测量其消光的时候 A 盘的度数的改变值可以知道偏振光 等效通过的是半玻片或者全玻片。如果是通过的

14、是等效的全玻片，那么这个偏 振光的振动方向不发生改变，那么产生消光现象的时候，两个偏振片是同步的 进行转动的。而如果等效的经过半波片，那么光的偏振方向会发生改变。而且， 这两个玻片的快轴相互平行的时候等效为一个半波片，当慢轴与快轴平行的时 候，等效为一个全玻片。注：通过全玻片偏振光的振动方向不发生改变，通过半波片该光依然是偏振 光，只是偏振光的振动方向发生改变，这可以通过 A 盘的转动角度的分析知道 是哪一种情况。4. 实验数据处理：（4）观察布儒斯特角：光束正入射的时候平台的方位角是：= 305。15、,125。15、i - 0当旋转盘，发生消光现象时，盘对应的示数是 = 2。5、,182。

15、亍B所以可以得到对应的布儒斯特角：9 二 56。50,56。50所以由此可以算出棱镜的折射率：n = tan 9 = tan 56 50 1.53B相对偏差：6.49 x 10-3(n -1.541.54-（5）定偏振器的透射轴方向：起偏器 P 的透射轴在水平方向上对应的方位角是：239。+ 237.8。+ 237.7。+ 236.8。+ 238.2。+ 238.9。P = 238.1对应的标准差：x6 (r P - P_S 2 二 4il丿二 0.5676(6) 测消光比：R G +1 - 21 ) 1000(0.01mV + 0.003mV - 2 x(- 0.006mV)e = 2 -

16、464 =-= 7.205 X10- 4R 4 -150004 x 8.675mV157）测量透射光强与两偏振器夹角间的关系：夹角015304560A盘角度266.1281 1296.1311.1326.1光强8.9118.3206.6424.3882.150I ICos。+ ICmaxmin8.3176.6864.45852.231I - I |/I(%)Cm M0.0670.2500.5080.750夹角7580848790A盘角度341.1346.1350.1353.1356.1光强0.5470.2540.0780.0090.003I ICos。+ ICmaxmin0.5100.2720

17、.0100.0270.003I -1 l/I (%)CM b M0.9430.9690.99820.99630.9999相对折射率随角度的变化而改变的数据:角度0153045607580848790相对透射率10.9340.7450.4920.2410.0610.0290.0090.0010相对折射率以及cos2a随着a变化的图像系列1 系列2(上述两条线完全重合了，所以只显示了一条线)由上述图像可以知道，两组曲线完美的契合。可以知道透射率满足马吕斯定 律：T =(T T )cos2 9 + T9122(8)定波片快轴在垂直方向时度盘的示数：C = 159.2。014(9)线偏振光通过玻片：实

18、验数据表格：卩=p p0.022.545.067.543.0p =卩 + p238.1260.6283.13056281.1ai99.797.113.38.419 = a + 90 一 a1i166.4169252.8257.7247.1Im ax6.0204.6373.1872.2843.153Imin0.2611.8311.5700.1001.843b2； a2 u I /Imin max0.0430.3950.4930.0440.5845r34.21070.13234.63075.298屮19. 79345.000-19.72437.299sin 5rJTTmin maxsin(2 p)

19、( +1I)min * max1 = _ arctan (tan 2 卩-cos 5 )2所以可以判断当入射的角度为43 度，45 度时，从其长轴的方位角以及其长短轴的比值可以知道，这个时候产生的偏振光近似为圆偏振光。(10) 待测定波片的轴方向：当一个轴在垂直方向上时，度盘的示数为：195(11) 线偏振光通过半波片或全玻片：当待测玻片的某轴在垂直方向，已知玻片的快轴在垂直方向：p p0153045p238.1 253.1 268.1 283.1 ai176.3204.2217.5230.5a 一 a1 i-0.2-28.1 -41.4-54.4当待测玻片的某轴在垂直方向，已知玻片的快轴在水

20、平方向：p p10153045p238.1 253.1 268.1 283.1 ai176.0160.9144.4127.1a 一 ai0.215.231.749.0结论：由上述两个表格可以知道，第一个表格，经过玻片的偏振光的方向是 与原偏振光的振动方向朝相反的方向变化，所以可以知道这个时候待测玻片的 快轴是与已知玻片的快轴方向平行。而第二个实验，经过玻片的偏振光的方向 是与原偏振光的振动方向朝相同的方向变化，所以可以知道，其等效经过的是 一个全玻片，所以这个时候待测玻片的慢轴是与已知玻片的快轴方向平行。所 以可以知道待测玻片的快轴垂直的时候，其相应的度盘示数是：195。5实验结论：(1) 布

21、儒斯特角的大小为：56 50，折射率n=1.53.e = 7.205 x 10-4(2) 消光比。(3) 通过数据的测定以及图像的对比可以知道：光强与两偏振器夹角的关系是I g COS29M(4) 线偏振光通过四分之一玻片的时候：其偏振状态会随着振动方向与玻片的 快轴间的夹角改变而改变。当角度接近于0的时候，还是线偏振光，当角度接 近于45的时候近似为圆偏振光，其余情况都是椭圆偏振光。(5) 线偏振光通过半波片或者全玻片的时候：其通过半波片或者全玻片后还是 线偏振光，通过半波片(也就是两个四分之一玻片的快轴平行的时候，可以合 成的等效的半波片)其还是线偏振光，只是振动方向会发生改变。当通过全玻 片的时候，其还是线偏振光，而且其振动方向不发生改变。6.实验讨论：(1) 这个实验的误差的确比较大，在调节P盘和A盘的时候，前后调整的差异 可以达到2-3，所以需要多次测量，出去里面误差较大的量，用较为精确的 值作为试验的数据进行处理。(2) 这个实验中很产生了很多非常有趣的现象，比如测布儒斯特角的时候没有 了反射光，加深了自己对于前半学期所学内容的理解，收获了很多知识。