偏振光实验报告

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1、偏振光实验报告实验 1. 验证马吕斯定律实验原理：某些双折射晶体对于光振动垂直于光轴的线偏振光有强烈吸收，而对于光振动平行于光轴的线偏振光吸收很少(吸收 o 光，通过 e 光)，这种对线偏振光的强烈的选择吸收性质，叫做二向色性。具有二向色性的晶体叫做偏振片。偏振片可作为起偏器。自然光通过偏振片后，变为振动面平行于偏振片光轴(透振方向)，强度为自然光一半的线偏振光。如图 1、图 2 所示：图 1 中靠近光源的偏振片 为起偏器，设经过 后线偏振光振幅为1P1P（图 2 所示） ，光强为 I0。 与 夹角为 ,因此经 后的线偏振光振幅为0A22，光强为 ,此式为马吕斯定律。cos20cossIA实验

2、数据及图形：P1 P2线偏光单色自然光 线偏光图 1P1 P2A0A0cos图 2 从图形中可以看出符合余弦定理，数据正确。实验 2.半波片，1/4 波片作用实验原理：偏振光垂直通过波片以后，按其振动方向（或振动面）分解为寻常光（o 光）和非常光（e 光） 。它们具有相同的振动频率和固定的相位差（同波晶片的厚度成正比） ，若将它们投影到同一方向，就能满足相干条件，实现偏振光的干涉。分振动面的干涉装置如图 3 所示，M 和 N 是两个偏振片，C 是波片，单色自然光通过 M 变成线偏振光，线偏振光在波片 C 中分解为 o 光和 e 光，最后投影在 N 上，形成干涉。考虑特殊情况，当 MN 时，即两

3、个偏振片的透振方向垂直时，出射光强为：；当 MN 时，即两个偏振片的透振方向平行时，出)cos1)(2(sin40I射光强为： 。其中 为波片光轴)cossin2in( 220/ I与 M 透振方向的夹角， 为 o 光和 e 光的总相位差（同波晶片的厚度成正比） 。改变 、 中的任何一个都可以改变屏幕上的光强。当 =（2k+1）（1/2 波片）时，cos=-1， ，出射光2sin0I强最大， ，出射光强最小；当 =（2k+1）/2（1/42)1(sin0/ IMCN图3 分振动面干涉装置 I0波片偏振片 偏振片单色自然光波片）时，cos=0， , 。)2(sin40I )2sin(40/ I特

4、别地，利用 1/4 波片我们还可以得到圆偏振光和椭圆偏振光。当 =45度时，得到圆偏振光，此时让偏振片 N 旋转一周，屏幕上光强不变。一般情况下，得到的是椭圆偏振光，让偏振片 N 旋转一周，屏幕上的光斑“两明两暗” 。实验结果：半波片实验数据表：1/4 波片实验数据：结论：线偏振光通过 1/4 波片后可能变成圆偏振光，椭圆偏振光也有可能仍是线偏振光。实验 3. 旋光效应实验原理：线 偏 振 光 通 过 某 些 物 质 的 溶 液 后 ， 偏 振 光 的 振 动 面 将 旋 转 一定 的 角 度 ， 这 种 现 象 称 为 旋 光 现 象 。 旋 转 的 角 度 称 为 该 物 质 的 旋 光

5、度 。 通 常用 旋 光 仪 来 测 量 物 质 的 旋 光 度 。 溶 液 的 旋 光 度 与 溶 液 中 所 含 旋 光 物 质 的 旋 光能 力 、 溶 液 的 性 质 、 溶 液 浓 度 、 样 品 管 长 度 、 温 度 及 光 的 波 长 等 有 关 。 当 其它 条 件 均 固 定 时 ， 旋 光 度 与 溶 液 浓 度 C 呈 线 性 关 系 即(5-1)比 例 常 数 与 物 质 旋 光 能 力 、 溶 剂 性 质 、 样 品 管 长 度 、 温 度 及 光 的 波 长 等有 关 ， C 为 溶 液 的 浓 度 。 物 质 的 旋 光 能 力 用 比 旋 光 度 即 旋 光

6、率 来 度 量 ， 旋 光率 用 下 式 表 示 ： (5-2)Clt(5-2)式 中 ， 右 上 角 的 t 表 示 实 验 时 温 度 (单 位 ： )， 是 指 旋 光 仪 采 用的 单 色 光 源 的 波 长 (单 位 ： nm)， 为 测 得 的 旋 光 度 (0)， l 为 样 品 管 的 长 度(单 位 ： dm)， C 为 溶 液 浓 度 (单 位 ： g/100mL)。由 (5-2)式 可 知 ：偏 振 光 的 振 动 面 是 随 着 光 在 旋 光 物 质 中 向 前 进 行 而 逐 渐 旋 转 的 ， 因 而 振动 面 转 过 角 度 透 过 的 长 度 l 成 正 比

7、。 振 动 面 转 过 的 角 度 不 仅 与 透 过的 长 度 l 成 正 比 ， 而 且 还 与 溶 液 浓 度 C 成 正 比 14。如 果 已 知 待 测 溶 液 浓 度 C 和 液 柱 长 度 l， 只 要 测 出 旋 光 度 就 可 以 计算 出 旋 光 率 。 如 果 已 知 液 柱 长 度 为 l 固 定 值 ， 可 依 次 改 变 溶 液 的 浓 度 C，就 可 以 测 得 相 应 旋 光 度 。 并 作 旋 光 度 与 浓 度 的 关 系 直 线 C， 从 直 线 斜率 、 液 桩 长 度 l 及 溶 液 浓 度 C， 可 计 算 出 该 物 质 的 旋 光 率 ； 同 样

8、 ， 也 可 以 测量 旋 光 性 溶 液 的 旋 光 度 ， 确 定 溶 液 的 浓 度 C。 旋 光 性 物 质 还 有 右 旋 和 左旋 之 分 。 当 面 对 光 射 来 方 向 观 察 ， 如 果 振 动 面 按 顺 时 针 方 向 旋 转 ， 则 称 右 旋物 质 ； 如 果 振 动 面 向 逆 时 针 方 向 旋 转 ， 称 左 旋 物 质 。测量葡萄糖水溶液的浓度将 已 经 配 置 好 的 装 有 不 同 的 容 积 克 浓 度 (单 位 ： g/100mL)的 葡 萄 糖 。 水溶 液 的 样 品 管 放 到 样 品 架 上 ， 测 出 不 同 浓 度 C下 旋 光 度 值

9、。 并 同 时 记 录 测 量环 境 温 度 和 记 录 激 光 波 长葡 萄 糖 水 溶 液 的 浓 度 配 制 成 C0、 C0/2、 C0/4、 C0/8， 0(纯 水 ， 浓 度 为 零 )，共 5 种 试 样 ， 浓 度 C0 取 30%左 右 为 宜 。 分 别 将 不 用 浓 度 溶 液 注 入 相 同 长 度的 样 品 试 管 中 。 测 量 不 同 浓 度 样 品 的 旋 光 度 (多 次 测 量 取 平 均 )。 用 最 小 二乘 法 对 旋 光 度 、 溶 液 浓 度 进 行 直 线 拟 合 (可 以 将 C0作 为 1 个 单 位 考 虑 )， 计算 出 葡 萄 糖 的

10、 旋 光 率 。 也 可 以 以 溶 液 浓 度 为 横 坐 标 ， 旋 光 度 为 纵 坐 标 ， 绘 出葡 萄 糖 溶 液 的 旋 光 直 线 ， 由 此 直 线 斜 率 代 入 公 式 (5-2)， 求 得 葡 萄 糖 的 旋 光率 。t065数据记录及处理图形：实验 4. 光弹效应光弹性试验是应用光学方法研究受力构件中应力分布情况的试验，在光测弹性仪上进行，先用具有双折射性能的透明材料制成和实际构件形状相似的模型，受力后，以偏振光透过模型，由于应力的存在，产生光的暂时双折射现象，再透过分析镜后产生光的干涉，在屏幕上显示出具有明暗条纹的映象，根据它即可推算出构件内的应力分布情况，所以这种

11、方法对形状复杂的构件尤为适用。光弹性实验方法是一种光学的应力测量方法，因为测量是全域性的，所以具有直观性强，能有效而准确地确定受力模型各点的主应力差和主应力方向，并能计算出各点的主应力数值。尤其对构件应力集中系数的确定，光弹性试验法显得特别方便和有效。 工程实际中有很多构件，例如工业中的各种机器零件，它们的形状很不规则，载荷情况也很复杂，对这些构件的应力进行理论分析有时非常困难，往往需要实验的方法来解决，光弹性试验就是其中比较直观有效的一种解决方法。实验原理 光弹性试验是应用光学方法研究受力构件中应力分布情况的试验，在光测弹性仪上进行，先用具有双折射性能的透明材料制成和实际构件形状相似的模型，

12、受力后，以偏振光透过模型，由于应力的存在，产生光的暂时双折射现象，再透过分析镜后产生光的干涉，在屏幕上显示出具有明暗条纹的映象，根据它即可推算出构件内的应力分布情况，所以这种方法对形状复杂的构件尤为适用。图1 光弹性试验的光学效应示意图如图1所示，自然光通过偏振器成为平面偏振光（在A1 平面中），平面偏振光垂直地射在模型上某一O点，如果模型未受力，则光线通过后并无改变，但如果O点有应力，这时将出现暂时双折射现象，如果图 O点的二个主应力 和1方向已知，则平面偏振光通过受力模型O点后，分解成二个与 及 方向2 2一致的平面偏振光，二者之间产生一光程差，光程差与主应力差（ - ）及模型厚度t成正比

13、，即： )21(kt式中k为光学常数，与模型材料及光的性质有关。分解了的二束光线通过分析器后重新在BB 平面内振动，这样就产生光的于涉现象。 我们知道由分析器出来的光线强度 )/(2sin)(iI其中为光的波长，I为偏振器与模型间偏振光的强度，为偏振平面A1 与主应力 的夹角。由上式可见，光强 I为零时有以下四种情况： 1 I=0，这与实际情况不符，因为只有在无光源时I才会是零。 =0 ，由公式 可知（ - ）=0，即 = ，符合这些条)2(kt1212件的点称为各向同性点。如果 = =0则称为零应力点，这种点在模型上皆为黑点（因为光强等于零） ，例如纯弯曲梁上中性轴上各点 = =0，故模型中

14、性层处为一条黑线。 sin(2)=0，即=n /2(n=0,1,2,3)这说明模型上某点主应力方向与偏振镜光轴重合，模型上也呈黑点，这类黑点构成的连续黑线称为等倾线，等倾线上各点的主应力方向都相同，而且偏振镜光轴的方向也就是主应力的方向。 ，以公式 代人，则 ，于是0/sin)21(kt 0)21()/sinkt可得ktn/21图 2 圆偏振光场示意图(n=0,1,2,3)tnf/21上式表明，当模型中某点的主应力差值为f/t的整数倍时，则此点在模型上呈黑点，当主应力差为f/t的某同一整数倍的各个暗点，构成连续的黑线称为等差线（在此线上各点的主应力差均相等）。 由于应力分布的连续性，等差线不仅

15、是连续的，而且它们之间还按一定的次序排列，对应于n=l的等差线称为一级等差线或称一级条纹，对应于n=2的等差线称为二级等差线或二级条纹，依次类推，其中n称为条纹序数，以上是根据光源用单色光讲的。如果光源用白光，则模型上具有相同主应力差的各点则形成颜色相同的光带，所以这时的等差线又称为等色线。 由以上讨论可知，根据模型中出现的各向同性点、零应力点、等倾线、等差线（等色线），借助于一些分析计算，就能求出模型中各点应力的大小和方向。 从上述基本原理可知，在使用单色光源时，等倾线与等差线都呈黑色，不易辨认，为了消除等倾线以获得清晰的等差线图，在光弹性仪两偏振镜之间装上二块14波长片，形成圆偏振光场，可把等倾线消除，只剩下等差线，圆偏振光场如图2所示。图3-1 对径受压圆盘等差线图 图3-2 对径受压圆盘等倾线图观察对径受压圆盘的等差线和等倾线，分别如图3-1和3-2所示。准备实验：光路调节 先将光源、起偏器、检偏器、白屏依次放在导轨上，打开白光光源，仔细调节各个器件的高度，使得整个光路高度比较合适。先确定起偏器为任意偏振方向，然后调节检偏器偏振方向，使其正交，即通过两个偏振片后的光强为最弱。然后调整两个偏振片的距离。观察实验1：观察光弹材料光弹特性 将光弹材料放入已经调整好偏振方向的两偏振片中间，调节光弹材料的高度为合适。观察此时白屏的图像。然后拧紧光弹材料固定