偏振-马万云-讲讲解

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1、大学物理实验偏振光学实验 马万云 J13 Tel.13911091539 mawy 2015.春季学期 1 请按照自己的实验编号就座。 实验编号请见黑板。 欢迎同学们到实验室学习！ 清华大学光学实验室 实验目的 v理解偏振光的基本概念 v理解偏振光的起偏和检偏方法 v学习偏振片与波片的工作原理与使用方法 清华大学光学实验室 实验原理 偏振光的概念-什么是偏振光,为什么有偏振？ v光矢量的方向和大小有规律地变化的光称为偏振光 。 v在自由空间传播的光波，它的电矢量E与磁矢量H 相互垂直。且均垂直于光的传播方向，也就是说光 波是横波。 k B E 清华大学光学实验室 EE 椭圆偏振光圆偏振光 实验

2、原理实验原理：光的5种偏振态 线偏振光 E 部分偏振光 E E 自然光 单个光子都 是偏振的。 清华大学光学实验室 偏振的量子力学意义：光子自旋 在运动方向上 清华大学光学实验室 偏振光的合成与分解 线偏振光可合成线偏振光 清华大学光学实验室 圆偏振光合成线偏振光 E x 左旋圆偏振光左旋圆偏振光 线偏振光合成圆偏振光 清华大学光学实验室 线偏振光合成 椭圆偏振光 清华大学光学实验室 实验原理 偏振光的描述： 一个单色偏振光可以分解为两个偏振方向相互 垂直的线偏振光的叠加： x y a1 a2 a b 清华大学光学实验室 实验原理 v取不同值时的偏振情况 清华大学光学实验室 透射光的起偏与检偏

3、 如何产生与检测偏振光偏振片 清华大学光学实验室 偏振片的效果图 通光方向 腰横别扁担进不了城门 如果入射光振 动方向既不垂 直也不平行那 会怎样了？ 我要是以一 定角度入射 能透过吗 清华大学光学实验室 加入P3后 为什么？ 清华大学光学实验室 实验原理-马吕斯定律 A E0 E=E0cos 检偏器 方向 起偏器 方向 清华大学光学实验室 马吕斯公式 v 偏振片透光轴( y)与消光轴(x)透射率分别为 和 , 则通过偏振片后， 变为 v 变为 v 总和为 v 所以线偏振光透过率为 v 消光比 v 注意， 光强的分量分别正比于 和 ， 而不 是 和 ， 后者是振幅的比例系数。 I I/ I 实

4、际使用的偏振片的参数：透光方向，消光比 清华大学光学实验室 实验原理 v反射和折射时的起偏现象 菲涅尔反射公式 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 i = 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Rs 5640 Rp 布儒斯特角p光无反射 清华大学光学实验室 另外一种产生偏振光方法 自然光以布儒斯特角入射产生线偏振光 如果入射光的只 有P分量，还有 反射光吗？ S 清华大学光学实验室 实验原理 L P 屏 棱镜 布儒斯特角测定、偏振器透射方向判定 原理图 清华大学光学实验室 波片就是一种相位延迟器 y d x A Ao Ae 线偏振

5、光 光轴 A Ao Ae 快轴P 慢轴 实验原理-波片介绍 光波在波片中传播中，因双折射不同偏振分量的 折射率不同，产生不一致的位相延迟，改变了两偏振 分量的位相关系。 负晶体（ve vo） 清华大学光学实验室 no ，ne 称为 晶体的主折射率 正晶体：ne no负晶体：ne no vot ve t 光轴 点波源 点波源 vot vet 光轴 (ve vo) 如：石英、冰如：方解石、红宝石 清华大学光学实验室 实验原理-波片介绍 慢轴分量相对于快轴分离将产生位相延迟 注意，所谓的全波 片，1/2,1/4波片都 是只对一个波长而 言 清华大学光学实验室 实验原理波片介绍 v 波片一个重要用途就

6、是改变入射光偏振态 v 实际使用波片必须知道的参数 波片是什么波片，在什么波长 波片的快慢轴方向 v 怎么测快慢轴方向-用1/4波片 清华大学光学实验室 偏振光通过 1/4 波片后偏振态的变化 入射光1/4 波片快轴方位出射光 线偏振光 与入射光振动方向平行或垂直线偏振光 与入射光振动方向成45（135）圆偏振光 其它方位椭圆偏振光 椭圆偏振光 快（慢）轴方向与椭圆 长轴取向相同 线偏振光 其它方位椭圆偏振光 圆偏振光任意方位线偏振光 清华大学光学实验室 圆偏振光和线偏振光之间的相互转换 圆偏振光-1/4波片-线偏振片- 1/4波片 清华大学光学实验室 椭圆偏振光的产生 当 时， 形成圆偏振

7、清华大学光学实验室 1/2 波片的作用 v1/2 波片有互相垂直的快轴和慢轴， 沿慢轴偏振 的光比沿快轴偏振的光程延迟1/2 波长， 或相位 延迟 。 v这样， 通过1/2波片后,线偏振光改变偏振方向， 圆偏振光改变旋转方向。 可使线偏振光振动面转过2 角度 Ao入Ao出 A入 A出 Ae入= Ae出光轴 清华大学光学实验室 线偏振光通过1/2波片后偏振面的旋转 1/21/2波片波片 快快 轴轴 方方 向向 线偏振光（红色）沿线偏振光（红色）沿1/21/2波片快慢轴分解为水平分量（蓝色）和波片快慢轴分解为水平分量（蓝色）和 竖直分量（绿色），穿过波片后，水平分量（蓝色）产生周期为竖直分量（绿色

8、），穿过波片后，水平分量（蓝色）产生周期为 的的 相位延迟，两分量合成后，仍为线偏振光，但偏振面相对于入射面相位延迟，两分量合成后，仍为线偏振光，但偏振面相对于入射面 旋转了旋转了 2 x 45=902 x 45=90 1/21/2波片波片 线偏振光 线偏振光 清华大学光学实验室 通过实验要搞清楚几个关键问题 v1 光的偏振状态 v2 偏振光的合成与分解 v3 起偏/检偏，布儒斯特角 v4 1/4 波片的作用 v5 1/2 波片的作用 v6 两个1/4 波片的叠加 （1） 快轴（及慢轴）重合， 成为1/2 波片 （2） 快轴（及慢轴）正交， 成为全波片 清华大学光学实验室 实验装置介绍 v光源

9、固体激光器，不用预先点燃 v起偏器，检偏器分别固定在分光计的平行光管和 望远镜上 v两个1/4波片，一个快轴已大致标出，另一个待测 v分光计小平台，放待测棱镜 v光强探测器，注意电阻的取值 清华大学光学实验室 实验任务、步骤 v任务、步骤详见讲义要求，要求完成 实验任务412，（13选做）。 v课后数据处理除完成数据表格的内容 外，任务7需要画比较图给出结论， 任务9、11、12要求有总结性的分析 或结论。 清华大学光学实验室 注意事项 1：由于光源为部分偏振光，因此实验时激光管位置 ，避免自动消光。 2：观察前应调节整个光学系统，使之共轴，并尽量 满足使平行光垂直入射到各个光学元件上的要求。

10、 3：减少周围杂散光的影响。 4：由于偏振片和波片并非理想元件等原因，观察到 的现象与理论有一定的误差。 5：注意眼睛的保护；保护光学元件的光学表面，不 得触摸光学元件的光学表面 。 6: 测试时最好始终朝一个方向缓慢移动。 清华大学光学实验室 注意事项和常见问题 l步骤6中，R1可以是300或400以提高测量灵敏度，在 消光的状态下，毫伏表的读数有可能是负值 l步骤7中，Imin=Im（夹角=90度时） l步骤7中，Im/Imax 与cos2 画在同一个坐标标系 下 l步骤骤8中，C0的值值是从最内圈的读读数得到 l步骤9中，r 有可能无解，但sinr 总总是有的（考虑虑波 片的性质质） l步骤骤11和12中，注意观观察转盘转盘 的读读数和转转向的关系 l在要求改变变角度时时，通常无需转动转动 很大的角度即可 观观察到要求观观察的实验现实验现 象 清华大学光学实验室 思考题 v如何判定某一光学器件是1/4波片、 1/2波片还是全 波片 v分析光隔离器原理 v如何用一片已知透振方向的偏振片和一片已知光轴 方向的1/4波片将自然光、部分偏振光、线偏振光 、椭圆偏振光、圆偏振光区分出来，写出判定步骤 。 清华大学光学实验室 3434 Thank youThank you！ 34 预祝同学们 实验顺利！ 要求:实验报告1周之内交到J13报告柜内。