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1、实验报告实验报告-物理仿真实验物理仿真实验课课 程程： 大学物理仿真实验 实验名称：实验名称：偏振光实验系系 别别： 电信学院 实验报告日期实验报告日期： 2009 年 11 月 28 日专业班级专业班级： * 学号学号：* 姓姓 名名： * 教师审批签字教师审批签字 1.1.实验原理：实验原理：偏振光原理： 按电磁波理论,光是横波，它的振动方向和光的传播方向垂直.实际中最常见的光的偏振态大体为五种，即自 然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏娠光和椭圆偏振光 1. 自然光是各方向的振幅相同的光。对自然光而言，它的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内可取所 有可能的方向，没有一个方向占有优势.若把所
2、有方向的光振动都分解到相互垂直的两个方向上，则在这两 个方向上的振动能量和振幅都相等。2 线偏振光是在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿一个方向振动。起偏器是将非偏振光变成线偏振光 的器件；检偏器是用于鉴别光的偏振光状态的器件。常见的起偏或检偏的元件构成有两种： 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向的光振动通过，因而产生线偏振光. 光学棱镜：如尼科耳棱镜、格兰棱镜等，它是利用光学双折射的原理制成的； 3 部分偏振光： 除了自然光和线偏振光外，还有一种偏振状态介于两者之间的光如果用偏振片去检验这种光的时候，随着
3、 检偏器透光方向的转动，透射光的强度既不象自然光那样不变，又不象线偏振光那样每转 90o。交替出现强 度极大和消光其强度每转 90o 也交替出现极大和极小，但强度的极小不是 0(即不消光)。从内部结构看， 这种光的振动虽然也是各方向都有，但不同方向的振幅大小不同，具有这种特点的光，叫做部分偏损光我们假定波是沿 z 轴传播的，在图中它垂直纸面迎面而系这时若电矢量按逆时针方向旋转，我们称为左旋圆偏振光。若顺时针旋转，称为右旋圆偏振光。5 椭圆偏振光 电矢量的端点在波面内描绘的轨迹为一椭圆的光，叫椭圆偏振光。椭圆运动也可看成是两个相互垂直的线偏 振光的合成，只是它们的振幅不等，或位相差不等于/2。椭
4、圆长、短轴的大小和取向，与振幅 Ax, Ay 和位相差 都有关系。可以看出线偏振光和圆偏振光都是椭圆偏 振光的特例，常用波晶片把椭圆偏振光转换为线偏振光。 椭圆偏振光退化为圆偏振光的条件是：Ax Ay 和 /2。 椭圆偏振光退化为线偏振光的条件是：Ax 0，或 Ay 0，或 0，。 椭圆偏振光也有左、右旋之分，其定义与前面圆偏振光的定义相同。 波晶片：又称位相延迟片，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 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 光多延迟了 =2(n0-n1)d/，若满足(ne-no)d
5、=/4，即 =/2 我们称之为 /4 片，若满足(ne-no) d=/2，即 =，我们称之为 /2 片，若满足(ne-no)d=，即 =2 我们称之为全波片。 布儒斯特定律布儒斯特定律： 自然光以任意入射角 i 入射于两种各向同性的透明介质的分界面商。一般情况下，反射光和入射光分别是部 分偏振光，垂直于入射面振荡的电矢量在反射光中占主要地位。在入射面上振荡的电矢量在折射光中占主要 地位。有一特殊入射角 b,当 i =b 时，反射光线垂直于折射光线(i +b = /2)，反射光变成完全偏振光。 该现象最早在 1815 年为布儒斯特所发现，我们称之为布儒斯特定律，b 叫做布儒斯特角，满足下列方程：
6、 其中 n1，n2 是相邻两种媒质的折射率。改变射向晶体的入射光线的方向，可以找到一个确定的方向，沿着这一方向，o 光和 e 光传播速度相等，折 射率相同，不产生双折射现象，这个方向叫做光轴。只有一个光轴的晶体叫做单轴晶体(如方解石、石英等)， 有两个光轴的晶体称为双轴晶体(如云母、硫磺等)。 包含光轴和任一光线的平面，称做对应于该光线的主平面。O 光的电矢量的振动方向垂直于主平面。e 光电 矢量的振动方向在它的主平面内。 本实验用来获得偏振光的仪器叫做格兰棱镜。格兰棱镜是由两面三块方解石棱镜构成的，二棱镜间的空气隙， 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
7、光，o 光在空气隙上全反射，只 有 e 光透过棱镜射出马吕斯定律：马吕斯定律： 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 I1 = I0 cos2，其中的 a 是检偏器的 偏振方向和入射线偏振光的光矢量振动方向的夹角：2.2.实验仪器：实验仪器：半导体激光器，起偏器，检偏器，1/4 波片，光电探测器，光电探测器台，光电流放大器，光屏，光具座。3.3.实验内容：实验内容：根据马吕斯定律测定光电池的线性响应: :P1：起偏器，方位不变 P2：检偏器，改变其方位以得到不同强度的偏振光，用来测定硅光电池的线性响应 B：分束板，使激光器的光束部分投射(I0)，部分反射(I1)
8、D1：光源光强监视器，包括硅光电池及光电流检测装置，用以 I0 的变化。 D2：当 P2 方位变化时，偏振光强 I2 依照马吕斯定律改变，I2 的变化将由 D2 测定。 测量数据: I1 I2I1 ，I2 ：D1，D2 的光电流读数, 为起偏器 P1 后平面偏振光方位与检偏器 P2 后平面偏振光方位的夹角。 ：P2 盘读数 根据测量结果，绘出与关系曲线，是否呈线性关系。 根据布儒斯特定律测定介质的折射率: 利用布儒斯特定律时，只能在入射光为 P 分量(电矢量平行入射面)时，才能得到反射率为零的布儒斯特角。 故实验分为两步进行： A. 确定起偏器的方位，在此方位使入射到样品表面的入射光(即起偏后
9、的偏振光)的偏振方向恰好为 P 分量。 实验方法如下：1 P1 在某一方位时，转动样品面使反射光的反射角在 50o60o 之间，移动光屏使得反射光点落于其上， 仔细观察光屏上反射光的强弱变化。选定出射光点最暗的某一位置做下一步调整。 2然后旋转 P1 的角度，观察光屏上反射光点的亮暗变化。找到一个光点最暗的 P1 方位角。 3再依次重复 1，2 的步骤，知道反射光强近于零。此时 P1 的方位角恰好使出射平面偏振光与入射平面相 重合，即为 P 分量。 B. 根据布儒斯特定律确定介质材料的折射率。 1 实验光路图如上所示，P1 应在 P 分量的起偏方位上。 2调整样品的方位，使样品反射面中央部分恰
10、好位于样品台的旋转中心上。当0 时，反射光应沿着入射 光防线返回，不得偏离。 3旋转样品台，改变 I0 的入射角：同时旋转动臂由光电它测器 D2 测量反射光 Ir 的强度。反射角每改变 5o10 o，读一次 Ir，同时记下 Ir 的数据，知道入射角改变到 80 o 为止。在反射最弱的布儒斯特角附近多测几组数据。设 P 分的反射率为 Rp，则在 角时 P 分量的反射率为：在起偏器和检偏器中间放入 1/4 波片，转动 P2 时，i2()曲线呈椭圆形，即出射光为椭圆偏振光，当 1/4 波 片光轴与入射偏振平面夹角为 45o 时，出射光为圆偏振光，i2() 曲线是圆形。 实验重点、难点： 1. 理解偏
11、振光的物理本质，学会几种偏振光的鉴别。 2. 光电探头的电流溢出问题。 4.4.实验步骤：实验步骤：1.如图所示连接各实验原件从左到右依次为 光电探测器，偏振片，光电探测器 偏振片 激光器。光电流放大器（下） 2.打开激光器 ，调节光电放大器的零点，由右侧表盘读数：I0=27.6A 3.移除右侧光电探测器，如图：4.移动偏振片角度，分别为 20，40，60，80 时读数如图：并填表： 20406080 20406080 I126.726.726.726.7 I224.916.47.00.8 整理： COS()20.8830.5870.250.03 I126.726.726.726.7 I224.916.47.00.8呈线性关系.5 5 实验结论：实验结论：偏振光的入射满足马吕斯定律即：，实验误差在实验允许范围内.6 6 参考资料参考资料1.大学物理实验第二册，谢行恕 康世秀 霍剑青主编，高等教育出版社 2.中国大百科全书I,II 中国大百科全书出版社 3.光学教程姚启钧 高等教育出版社 4.光学赵凯华，北京大学出版社
