《偏振光实验》

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1、 偏振光实验偏振光实验 （2008 新增部分） 中山大学光信息科学与技术实验室 中山大学光信息科学与技术实验室 21 用途用途 SGP-1 型偏振光实验系统是一套与计算机联合使用的教学实验仪器， 可用于高等院校物理实验课的分组实验。 2 规格与主要技术指标规格与主要技术指标 2.1 规格规格 光源：He-Ne 激光器（带布儒斯特窗） 1 套 偏振器：格兰棱镜 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：硬铝导轨，5 个滑动座 1 套 电动旋转架：步进电机控制 3 套 分束器（5：5） 1 个 光电探测器 2 套 计算机操作软件 1

2、套 2.2 主要技术指标主要技术指标 光具座全长：1m 各调节架中心距基座面高度：161mm 光源波长：632.8nm，输出功率1.5mW 电动转架旋转角度：任意，精度 0.05 3 原理原理 3.1 偏振光的产生和检验偏振光的产生和检验 中山大学光信息科学与技术实验室 3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。因物质与电矢量的作用大于对磁矢量的作用，习惯上称 E 矢量为光矢量，代表光振动。 光在传播过程中遇到介质发生反射、折射、双折射或通过二向色性物质时，本来具有随机性的光振动状态就会起变化，发生各种偏振现象。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

3、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。再者，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上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。 一般情况下，人的眼睛不能直接检查偏振光，但可用一个偏振器面对偏振光进行检视，这个偏振器就成为检偏器。 3.2 布儒斯特角布儒斯特角 当光从折射率为 n1的介质（例如空气）入射到折射率为 n2的介质（例如玻璃）交界面，而入射角又满足 121 Btgnn= 时，反射光即成完全偏振光，其振动面垂直于入射面。iB称布儒斯特角，上式即布儒斯特定律。显然，B角的大小因

4、相关物质折射率大小而异。若 n1表示的是空气折射率， （数值近似等于 1）上式可写成 21 Btgn= Bn2n1反射光入射光图 3-13.3 马吕斯定律马吕斯定律 如果光源中的任一波列（用振动平面 E 表示）投射在起偏器 P 上（图 3-2） ，只有相当于它的成份之一的 Ey（平行于光轴方向的矢量）能够通过，另一成份 Ex（=E cos）则被吸收。与此类似，若投射在检偏器 A 上的线偏振光的振幅为 E0，则透过 A 的振幅为 E0 cos（这里 是 P 与 A 偏振化方向之间的夹角） 。由于光强与振幅的平方成正比，可知透射光强 I 随 而变化的关系为 2 0cosII = 这就是马吕斯定律。

5、 中山大学光信息科学与技术实验室 4Ey EX Pxy图 3-23.4 波片波片 若使线偏振光垂直入射一透光面平行于光轴，厚度为 d 的晶片（图 3-3） ，此光因晶片的各向异性而分裂成遵从折射定律的寻常光（o 光）和不遵从折射定律的非常光（e 光） 。因 o 光和 e 光 图 3-3线偏振光有一定相位差的 o光和e光oe在晶体中这两个相互垂直的振动方向有不同的光速，分别称做快轴和慢轴。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 Asin 和 Acos ,出射后相位差 dnneo)(20= 式中 0是光在真空中的波长，no和 ne分别是 o 光和 e 光

6、的折射率。 这种能使相互垂直振动的平面偏振光产生一定相位差的晶片就叫做波片。 3.5 椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光 如果以平行于波片光轴方向为 x 坐标， ， 垂直于光轴方向为 y 坐标图 3-3 出射的 o 光和 e 光可用两个简谐振动方程式表示： tAxesin= )sin(+=tAyoE 中山大学光信息科学与技术实验室 5该两式的合振动方程式可写成 2 2222 sincos2=+oeoeAAxy Ay Ax一般说来，这是一个椭圆方程，代表椭圆偏振光。但是当 k2= （k1、2、3） 或 ) 12(+=k （k0、1、2） 时，合振动变成振动方向不同的线偏振光。后一种情况，晶

7、片厚度 2) 12(eonnkd+= 可使 o 光和 e 光产生（2k+1）/2 的光程差，这样的晶片称做半波片,而当 2) 12(+=k （k1、2、3） 时，合振动方程化为正椭圆方程 12222 =+ oeAy Ax这时晶片厚度4) 12(eonnkd+=，称做 1/4 波片。它能使线偏振光改变偏振态，变成椭圆偏振光。但是当入射光振动面与波片光轴夹角 45时，AeAo，合振动方程可写成 222Ayx=+ 即获得圆偏振光。 4 器件简介器件简介 4.1 He-Ne 激光器（带布儒斯特窗）激光器（带布儒斯特窗） 它的激光管是半外腔式的， 组成共振腔的两个反射镜之一与放电管分离。 储有 He-N

8、e 气体的放电管的一端，按一定角度（布儒斯特角）用玻璃片密封（图 4-1） 。具体布儒斯特角大小与介质折射率相关。该玻璃窗常采用 K8 光学玻璃制成，折射率 n1.516，B5636；也可以采用熔凝石英材料，n1.456，B5532。 中山大学光信息科学与技术实验室 6图 4 - 14.2 格兰泰勒棱镜格兰泰勒棱镜 这是一种用冰洲石制成的偏振棱镜，是将一块棱镜切割成两半，形成空气隙再组合起来的（图4-2） 。它能使非常光（e 光）通过，并使寻常光（o 光）在切割面发生全内反射，偏向一旁。常规的偏振棱镜分格兰型和尼科耳型。格兰泰勒棱镜的光轴在入射端面内（图 4-2 用双箭头表示）,并且主截面垂直

9、于切割面。它的非常光透射率可达 85。在棱镜保护套的侧面有一个开孔，以便 o光旁路出去。另划一条线垂直于光轴，可与电动旋转架上的短线连接配合读取角度。 图 4-2oe4.3 电动旋转架电动旋转架 这个旋转架用来安装格兰泰勒棱镜，也可以安装波片。它是用一个 12V 步进电动机经过齿轮转动系统带动偏振棱镜旋转的，步角 7.5。安装时将棱镜外套侧面的圆孔露在架子外边，就能让棱镜的反射光旁路出去。实验前一定要适当拧紧旋转套上的紧固螺丝，以保证角度转动量的准确，并防止摘下旋转架时棱镜滑落摔坏。 4.4 波片和支架波片和支架 仪器配备的半波片和 1/4 波片都是用石英晶体片制成的， 分别装在铝制圆框内，

10、切勿随意拆卸。这两种波片都只能配合 632.8nm 波长的光源使用。圆框上的白色短线指示波片的光轴方向。安装时使波片的光轴方向指示线对准波片转动架上的短刻线，用螺丝锁紧。使用时波片的光轴可以按实验需要旋转到圆度盘的任一位置。圆度盘每格 3。 中山大学光信息科学与技术实验室 77510590135150210225180195165285255300240270304531512060330345015图 4-34.5 光电探测器光电探测器 这是一个半导体光电转换器件，可用来探测紫外线、可见光和红外线，响应范围 200-1050nm，峰值波长 650nm。由于光电探测器件对偏振态具有敏感性，即输

11、入功率相同的偏振光，只因偏振态不同而获得不同的电信号输出，所以在探测器入口处加装了一个退偏器（是一片毛玻璃） ，用来消除偏振态对光电测量产生的影响。 5 实验内容提要实验内容提要 5.1 布儒斯特角用于起偏振布儒斯特角用于起偏振 He-Ne 激光管因光学共振腔内的布儒斯特窗起偏振， 偏振光方向沿光轴方向通过布儒斯特窗口时不发生菲涅耳反射；偏振方向垂直于入射面的光绝大部分发生菲涅耳反射，极少通过窗口，所以这种激光管输出的是偏振方向平行于入射面的线偏振光。可用格兰泰勒棱镜做检偏器予以验证。 5.2 马吕斯定律马吕斯定律 线偏振光照射在检偏器上，绘出通过检偏器之后光束强度与2cos关系的实验曲线与理

12、论曲线验证该定律。 5.3 半波片的作用半波片的作用 在由布儒斯特窗和偏振棱镜联合组成的起偏器 D 和检偏器 A 之间加入半波片 H，并使其绕水平轴转动 360，观察屏幕上发生消光现象的次数；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 15，30，45，60，75和 90，相应记录每次将 A逐次转到消光位置所需转动的角度，根据实验数据分析半波片的作用。 图 4-41351503453002702552853303154515030607512010590240195225210165180中山大学光信息科学与技术实验室 85.4 1/4 波片与椭圆偏振光

13、、圆偏振光波片与椭圆偏振光、圆偏振光 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 的光强显示最小） ，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15，30，45，60，75和 90时，都将 A 转动 360，从显示情况分析光波通过 1/4 波片后的偏振态。 6 安装安装 6.1 开箱开箱 打开仪器的包装后，请对照装箱单对仪器的成套性进行认真清点验收，如发现与装箱单不符或者仪器表面有明显的受损现象，请立即与售方联系解决。 6.2 安装场地安装场地 为了提高仪器的工作质量和延长仪器的使用寿命，在选择仪器安装

14、场地时应注意以下几点： 6.2.1 环境温度：1828 6.2.2 相对湿度：65 6.2.3 无振动源、无强电磁场干扰 6.2.4 室内保持清洁、无腐蚀性气体 6.2.5 仪器应放置在坚固的平台上 6.2.6 仪器放置处不可长时间受太阳照射 6.2.7 室内应具备稳压电源装置对仪器供电，装有地线，保证仪器接地良好。 6.3 电控箱的使用电控箱的使用 计算机与电控箱通过 USB 专用电缆连接（图 6-1） 。 OFFUSBPWR STA COM天津市港东科技发展有限公司偏振光实验系统电源电源SGP-型ON图 6-1电控箱背面有如图（图 6-2）所示的五个插口，分别用电机插口和接收器插口。 电源

15、开关 电源、 状态、 通讯指示灯USB 连接电缆接口 中山大学光信息科学与技术实验室 9参考信号输入步进电机步进电机步进电机测量信号输入AC220V 50-60HZ图 6-2在不使用双光束方式的时候，使用测量接收器采集；使用双光束方式的时候，采集两路信号，实验数据为测量信号与参考信号之比。 “步进电机” 、“步进电机” 和“步进电机” 分别与控制软件中所示的电机 1，2，3 对应。所接电机可由用户根据需要自定。 6.4 仪器安置和光路调节仪器安置和光路调节 6.4.1 仪器安置仪器安置 建议整套仪器和计算机安置在长 1.5m、宽 0.8m 实验台上。当前在用和待用光路中的支架器件都插在光具座的

16、滑动座或基座侧面的插孔内。 6.4.2 光源光源 调节激光束平行于光具座导轨。用一个带十字线的白屏在滑动座上沿导轨移动过程中，使光束瞄准十字交叉点。 6.4.3 光路光路 使光束通过格兰泰勒棱镜、 分束器和光电探测器的中心。 调棱镜光轴位置， 使 o 光透射出来，同时也要避免棱镜端面反射光回馈。在安装分束器的二维调节架的支杆上套装一个延伸架（SZ-09C） ，以便安装接收参考光束的光电探测器。 6.4.4 统调统调 在接好线路之后，接通电源，启动软件（见 7.1 节） ，看显示曲线，若曲线噪声大，可先暂时拧下带毛玻璃的端盖查看光束是否对准光电探测器中心，校正后继续试机，之后令检偏棱镜停转，若计算机系统记录的曲线完好，即属工作正常。 6.4.5 棱镜微调棱镜微调 系统运行中， 格兰棱镜转动 360后， 若发现二极大值不相