1、偏振光的研究 Pb06210113 王心实验目的: 1、线偏振光的产生与鉴别；2、圆偏振光的产生与鉴别；3、椭圆偏振光的产生与鉴别；4、马吕斯定律实验原理:为了研究光的偏振态和利用光的偏振特性进行各种分析和测量工作，需要各种偏振元件：产生偏振光的元件、改变光的偏振态的元件等，下面分类介绍。1 产生偏振光的元件在激光器发明之前，一般的自然光源产生的光都是非偏振光，因此要产生偏振光都要使用产生偏振光的元件。根据这些元件在实验中的作用，分为起偏器和检偏器。起偏器是将自然光变成线偏振光的元件，检偏器是用于鉴别光的偏振态的元件。在激光器谐振腔中可以利用布儒斯特角使输出的激光束是线偏振光。 将自然光变成偏
2、振光的方法有很多，一个方法是利用光在界面反射和透射时光的偏振现象。我们的先人在很早就已经对水平面的反射光有所研究，但定量的研究最早在1815年由布儒斯特完成。反射光中的垂直于入射面的光振动（称s分量）多于平行于入射面的光振动（称p 分量）；而透射光则正好相反。在改变入射角的时候，出现了一个特殊的现象，即入射角为一特定值时，反射光成为完全线偏振光（s分量）。折射光为部分偏振光，而且此时的反射光线和折射光线垂直，这种现象称之为布儒斯特定律。该方法是可以获得线偏振光的方法之一。如图1所示。因为此时 ， ，若n1=1（为空气的折射率），则 （1）i0i0gn1n2图 1 布儒斯特定律原理图S分量P分量
3、叫做布儒斯特角，所以通过测量布儒斯特角的大小可以测量介质的折射率。由以上介绍可以知道利用反射可以产生偏振光，同样利用透射（多次透射）也可以产生偏振光（玻璃堆）。图2 晶体的双折射第二种是光学棱镜，如尼科耳棱镜、格兰棱镜等，它是利用晶体的双折射的原理制成的。在晶体中存在一个特殊的方向（光轴方向），当光束沿着这个方向传播时，光束不分裂，光束偏离这个方向传播时，光束将分裂为两束，其中一束光遵守折射定律叫做寻常光（o光），另一束光一般不遵守折射定律叫做非寻常光（e光）。o光和e光都是线偏振光（也叫完全偏振光），两者的光矢量的振动方向（在一般使用状态下）互相垂直。改变射向晶体的入射光线的方向可以找到光轴
4、方向，沿着这个方向，o光和e光的传播速度相等，折射率相同。晶体可以有一个光轴，叫做单轴晶体，如方解石、石英，也可以有两个光轴，叫双轴晶体，如云母、硫磺等。包含光轴和任一光线的平面叫对应于该光线的主平面，o光电矢量的振动方向垂直于o光主平面，e光电矢量的振动方向平行于e光主平面。格兰棱镜由两块方解石直角棱镜构成，两棱镜间有空气间隙，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。图3 格兰棱镜起偏、检偏原理第三种是偏振片，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
5、向的光振动通过，因而产生线偏振光。它的偏振性能不如格兰棱镜，但优点是价格便宜，且可以得到大面积的。本实验中采用偏振片作为起偏器和检偏器。2. 波晶片：又称位相延迟片，是改变光的偏振态的元件。它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（所以折射率也就不同），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光延迟量为， (2) 若满足，即我们称之为片，若满足，即，我们称之为片，若满足，即我们称之为全波片（m为整数）。波晶片可以用来检验和改变光的偏振态，如图4所示，在起偏器后加上一个波片，旋转起偏器或波片就可以得到园或者椭圆偏振光细节和
6、方法参见文献2、3。波片是椭偏仪中的重要元件，而椭偏仪可以精确测量薄膜的厚度和折射率，是材料科学研究中常用的精密仪器。激光器P1四分之一波片P2光电探测器图4 用波片改变光的偏振态偏振光的研究从马吕斯定律开始，马吕斯定律也是最基本和最重要的偏振定律。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 （3）其中的q是检偏器的偏振方向和起偏器偏振方向的夹角。实验仪器:本实验使用的偏振光实验仪是以分光计改装成的。仪器构造简图如图5所示，仪器由1、.半导体激光器（波长650nm）2、硅光电池3、起偏器、4、检偏器、5、分光计图5 仪器简图126345WJF-10-7A数字式检流计1237
7、5468910图6 1数显窗，2，量程选择4档开关，3，衰减旋钮，4电源开关，5电源指示灯，6保持开关，7保持指示灯，8调零旋钮，9模拟输出，10信号输入和数字式检流计6。起偏器和检偏器均为偏振片，放在360分度度盘内。数字式检流计的前面板如图6所示， 测量范围110-10A1.99910-4A。实验内容:1、验证马吕斯定律检流计仍放在4档，将起偏器放在光强最强的位置，在管2另一端套上检偏器P2并使竖直方向为0。然后旋转检偏器P2使检流计的光强最小。此时可以认为P1 与P2偏振方向的夹角为90，记录此时P2偏振方向的绝对角度值q和光强值I，每隔10记录一次。 2、根据布儒斯特定律测定介质的折射
8、率：P1样品激光器图7 测量布儒斯特角的光路图图7 为实验光路，取下检偏器P2将样品平面放在载物台的中心，旋转载物台使反射光反射回激光器入射方向，记下游标的刻度，再旋转游标盘，用一张白纸接受从样品平面反射的光点，调节P1的角度使光强为最弱。旋转游标盘找出完全消光的位置，计下此时游标的刻度，这个角度就是布儒斯特角，由布儒斯特定律求出样品的折射率n。3、研究1/4波片的性质，产生圆偏光、椭圆偏光数据记录:1、起偏器p1的偏转角102/90100110120130140150160170180I/10-7mA00.030.41.12.23.44.65.66.46.82/190200210220230
9、240250260270280I/10-7mA6.856.55.84.73.62.41.30.50.070.042/ 2903003103203303403503601020I/10-7mA0.41.12.23.54.85.86.56.86.96.62/304050607080I/10-7mA64.93.62.41.30.52、 11 2 2121.513584301.5172383、起偏器p1的偏转角1302/ 90110130150170190210230250270I/10-7mA1.72.54.25.86.86.65.33.421.72/ 29031033035010305070I/1
10、0-7mA2.54.35.96.76.65.33.52.1起偏器p1的偏转角1452/ 90110130150170190210230250270I/10-7mA2.22.33.24.55.65.95.44.22.92.22/ 29031033035010305070I/10-7mA2.33.24.55.55.95.44.33.0数据处理:1、验证马吕斯定律根据1中的数据有起偏器p1和检偏器p2的夹角为0即2360时的电流I06.810-7mA计算I/I0和cos22，计算结果列表如下： 1/-90-80-70-60-50-40-30-20-100cos200.030150.116980.25
11、0.413180.586820.750.883020.969851I/I000.004410.058820.161760.323530.50.676470.823530.941181 2/0102030405060708090cos210.969850.883020.750.586820.413180.250.116980.030150I/I011.007350.955880.852940.691180.529410.352940.191180.073530.010293/-90-80-70-60-50-40-30-20-100cos200.030150.116980.250.413180.5
12、86820.750.883020.969851I/I00.010290.005880.058820.161760.323530.514710.705880.852940.9558814/0102030405060708090cos210.969850.883020.750.586820.413180.250.116980.030150I/I011.014710.970590.882350.720590.529410.352940.191180.073530根据上表作I/I0cos2的关系曲线（090，-900各两条）求得各直线得斜率和截距 12 3 4 k1.0010.9931.0161.01
13、1 d-0.0520.069-0.0490.068从表中可以看出I/I0cos2，即马吕斯定律II0cos2成立，2、求介质得折射率i0根据2中得记录，有i011121.51358463.5963.65i022301.5172383631463.23i0i0i0263.6563.23263.44由布儒斯特定律有介质折射率ntani0tan63.442.003、椭圆偏振光和圆偏振光椭圆曲线对应的极角 0/2- /2-3/2- 3/2-2为起偏器p1的偏转角，当45时，根据3中的数据，有30/ 108.43124.53147.77180.00212.23235.47251.56264.18275.
14、80288.43I/10-4mA4.1235.0006.4817.615778.2468.1247.2805.8314.4724.123/ 304.53327.7736032.2355.4771.5684.1895.81I/10-4mA5.0006.5577.6818.1858.1247.2805.9164.582由上表作I图45/ 135155175195215235255275295315I/10-4mA4.6904.7965.6576.7087.4837.6817.3486.4815.3854.690/ 335355375395557595115I/10-4mA4.7965.6576.7087.4167.6817.3486.5575.477由上表作I图由于测量的点还不够多，测量的数据也比较大的误差，所以实际曲线与理论不太相符思考题:如何利用分光计测量玻璃平板的折射率？写出实验步骤？1、将玻璃平板放在载物台的中心，旋转载物台使反射光反射回激光器入射方向，记下游标的刻度2、再旋转游标盘，用一张白纸接受从样品平面反射的光点，调节P1的角度使光强为最弱。3、旋转游标盘找出完全消光的位置，计下此时游标的刻度，这个角度就是布儒斯特角，由布儒斯特定律求出样品的折射率n。
