偏振测量实验

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1、1 / 7 偏振测量实验实验者：杨亿斌 (06325107) 合作者：吴聪 (06325096) （中山大学物理系，光信息科学与技术06级3班 B19） 2009 年 5 月 19日 一、实验目的1. 了解和掌握光在各向异性介质中的传输和偏振光的基本概念。2. 验证马吕斯定律。3. 掌握偏振片、半波片、1/4 波片的特性和作用，并通过实验验证。二、实验用具He-Ne 激光器、偏振器（格兰-泰勒棱镜） 2 块、半波片（ 632.8nm,石英晶体） 1 片、1/4 波片（ 632.8nm,石英晶体） 1 片、光具座1 套、电动旋转架3 套、光电探测器1 套、计算机操作软件等。三、实验原理1. 偏振

2、光的产生光是电磁波，可用两个相互垂直的振动矢量-电矢量 E 和磁矢量H 表征。习惯上称E 矢量为光矢量，代表光振动。若光振动局限在垂直于传播方向的平面内，就形成平面偏振光，因其电矢量末端的轨迹成一直线，通称线偏振光；若只是有较多的电矢量取向于某固定方向，称作部分偏振光。如果一种偏振光的电矢量随时间作有规律的变动，它的末端在垂直于传播方向的平面内的轨迹呈椭圆或圆形，这种偏振光就是椭圆偏振光或圆偏振光。2. 布儒斯特角当光从折射率为n1的介质入射到折射率为n2的介质分界面，例如由空气入射到玻璃，且入射角满足)/arctan(12nnB（ 1）时，反射光为完全偏振光，振动面垂直于入射面。这是由于根据

3、反射定律和折射定律由（1）式可得此时反射角和入射角之和为90，再由菲涅耳公式可知此时反射光的平行分量为0，只有垂直分量。B称为布儒斯特角 ， （1）式即为 布儒斯特定律。图 1 3. 马吕斯定律如果光源中任一波列（用振动平面E表示） 投射在起偏器P上，只有相当于它的成分之一的yE ( 平行于光轴方向的矢量) 能够通过，另一成分cosEEx则被吸收。与此类似，若投射在检偏器A上的线偏振光2 / 7 的振幅为0E, 则透过 A的振幅为cos0E, 这里是P与A偏振方向之间的夹角。由于光强与振幅的平方成正比，透射光强I 随而变化的关系为2 0cosII（2）这就是 马吕斯定律 。4. 格兰 -泰特棱

4、镜格兰 泰勒棱镜是一种用冰洲石做成的偏振棱镜，是将一块棱镜切割成两块，形成空气隙再组合起来（如图 2） 。它能使非常光通过，寻常光在切割面发生全内反射，偏向一旁。常规的偏振棱镜分成格兰型和尼科耳型，格兰泰勒棱镜的光轴在入射端面（图2 用双箭头表示） ，且主截面垂直于切割面。在棱镜保护套的侧面开一个小孔，以便o 光旁路出去。图 2 5. 波片 若使线偏振光垂直入射一透射面平行于光轴，厚度为d 的晶片，如图2，入射光将因晶片的各向异性而分裂成遵从折射定律的寻常光（o 光）和不遵守折射定律的非常光（e 光） 。图 3 因 o 光和 e 光在晶体中这两个相互垂直的振动方向有不同的光速，分别称作快轴和慢

5、轴。设入射光振幅为 A，振动方向与光轴夹角为，入射晶面后o 光和 e 光振幅分别为cossinAA和，出射后相位差dnneo)(20（3）式中0是光在真空中的速度，eonn 和分别是 o 光和 e 光的折射率。这种能使振动方向相互垂直的平面偏振光产生一定相位差的晶片就称为波片 。6. 椭 圆 偏 振 光 和 圆 偏 振 光以平行于波片光轴方向为x 轴，垂直于光轴方向为y 轴，图 2 所示出射的o 光和 e 光用简谐振动方程式表示为tAxesin)sin( tAyo（4）上两式的合振动方程式为3 / 7 22222 sincos2oeoeAAxy Ay Ax（5）（5）式一般情况下是椭圆方程，代

6、表椭圆偏振光。当k2（k=1、2、3, ）或)12( k（ k=0、1、2, ）时，合振动变成振动方向不同的线偏振光。对于后一种情况，晶片厚度可表示为2120eonnkd可使 o 光和 e光产生2/)12( k的光程差，这样的晶片称为半波片 。当 2) 12( k（k=0、1、2, ）时，合振动方程化为正椭圆方程：12222oeAyAx（6）这时晶片厚度, 412eonnkd称为 1/4 波片 。它能使线偏振光变成椭圆偏振光。但是当入射光振动方向与光轴夹角为45时，oeAA，得到圆偏振光，合振动方程为：122yx（7）四、实验装置实验系统示意图如图3 所示图 4 实验系统方框示意图个别元件增减

7、随实验内容而定。五、实验内容、过程及数据处理分析1、调整光路及验证布儒斯特角（1）调节激光光束平行于光具座导轨，将光电检测器放上导轨，调节使光束通过光电检测器的中心。He-Ne 激光器起偏器波片检偏器光电探测器偏振光实验系统电源（电控箱）测 量 信 号 输 入计算机4 / 7 （ 2）接好线路后，接通电源，启动电脑。打开测量软件，看显示曲线，观察得曲线适中，没有出现饱和失真。（3）放上起偏器，调整棱镜光轴位置，使o 光透射。（ 4）一开始选一号电机采集数据，得到正弦曲线不理想，改用三号电机采集，即换用检偏器采集，得到较理想的正弦曲线。如图1：图 1 激光输出线偏振的验证由图可知，对于线偏振光，

8、在旋转一周的过程中将出现两次透射光为零的角度，这两个角度正好对应于入射光偏振方向与偏振片方向相垂直的情况。2、验证马吕斯定律（1）在起偏器和光电检测器之间放上检偏器，适当调节，使线偏振光入射检偏器中心。利用“角度检索”工具使起偏器转动到该角度，则此时起偏器的透光方向与激光偏振方向相同。选择三号电机，开始采集数据。（2）采集一个周期（即电机转360）后，得到的曲线如图2。选择“数据处理”菜单中的“马吕斯定律”选项，将得到验证马吕斯定律的曲线，如图3。图 2 马吕斯定律曲线图 3 马吕斯定律验证由图 2 可知，起点光强为零，即检偏器和起偏器的初始夹角为90，故检偏器转过的角度不等于马吕斯定律中（公

9、式（2）中）的。用表示检偏器转过的角度，则sincos22。5 / 7 图 3 左边方框中的曲线是以cos2为横坐标， 相对光强为纵坐标的。由图上可知， 相对光强与cos2呈线性关系。右图中右边部分列出了曲线上的十个红色圆点对应的转角和相对光强值。3、验证半波片的作用（1） 在起偏器D和检偏器A之间加入半波片H， 并使其绕水平轴转动3600， 观察发现共出现四次消光现象。（2）然后使起偏器的偏振面与检偏器的光轴正交，加入半波片后，将它转到消光位置，再分别转动150，300，450，600，750和 900，相应记录每次将A逐次转到消光位置所需转动的角度，填入表1。表 1 半波片转角 / 度15

10、 30 45 60 75 90 检偏器转角 / 度29.68 59.24 90.02 119.94 150.16 179.96 拟合得图4：图 4 半波片转角与检偏器转角的关系由图可知，线偏振光通过半波片后，会使o 光和 e 光产生的相位差，出射光仍为线偏振光。在半波片旋转一周的过程中，当半波片的光轴方向与起偏器透光方向垂直时，会发生消光现象，这种情况会出现两次；当由半波片出来的光的偏振方向与检偏器的透光方向垂直时，也会发生消光现象，这种情况也会出现两次。两种情况综合起来一共会出现四次消光现象。由表 1 可知，当半波片旋转角时，检偏器要旋转2才能重新消光，这是由于当入射半波片的光的偏振面转动角

11、度时，出射光的振动面会转动2，这也是由于线偏振光通过半波片后，会使o 光和 e 光产生的相位差引起的。4、验证 1/4 波片的作用先使线偏振光的偏振面P与检偏器A的光轴正交 （这时通过A的光强最小） ，然后在两个偏振棱镜之间加入 1/4 波片 Q，并转动Q,直到通过A的光强恢复到最小。从此位置每当Q转动 150，300，450，600，750和 900时，都使A转动 3600，从显示情况分析光波通过1/4 波片后的偏振态。 （1）1/4 波片转 15根据采集到的数据，在极坐标下画出光强的平方根与检偏器的转角的关系曲线，即I曲线，如图5：6 / 7 图 5 1/4 波片转 15后的极坐标图同理，

12、采用同样的方法，每次将1/4 波片增加15 度，得出对应的极坐标图：图 6 1/4 波片转 30后的极坐标图图 7 1/4 波片转 45后的极坐标图图 8 1/4 波片转 60后的极坐标图图 9 1/4 波片转 75后的极坐标图7 / 7 图 10 1/4 波片转 90后的极坐标图通过上述实验，我们验证了1/4 波片可以使通过它的线偏光变成椭偏光、圆偏光，或者仍然是线偏光，可以通过控制波片光轴与起偏器的夹角来实现这几种情况。偏振光经1/4 波片， o 光与 e 光有固定相位延迟之差2/，其相遇点的合成光矢量的末端的轨迹呈椭圆形,称为椭圆偏振光。波片光轴转动不同角度（2/0） ，得到不同的椭圆偏振态.2/时， O 光与 e 光的振幅相同，因此可以得到圆偏振光。当2/21时，两椭圆偏振对称。六、实验总结 通过本次实验，验证了布儒斯特定律，马吕斯定律， 也对半波片和1/4 波片对线偏振光的作用有所了解。但是，本次实验花了较长的时间，原因是在验证1/4 波片作用这一部分花了比较长的时间，开始时，作I图时得不到椭圆，后来才发现波片光轴与起偏器的夹角并不等于波片转过的角度，而是等于它的余角。