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1、实 验 报 告 学生姓名: 学 号: 指导教师: 实验地点: 实验时间: 一、实验室名称:偏振光实验室 二、实验项目名称:偏振光实验 三、实验学时: 四、实验原理: 光波的振动方向与光波的传播方向垂直。自然光的振动在垂直与其传播方向的平面内,取所有可能的方向;某一方向振动占优势的光叫部分偏振光;只在某一个固定方向振动的光线叫线偏振光或平面偏振光。将非偏振光(如自然光)变成线偏振光的方法称为起偏,用以起偏的装置或元件叫起偏器。 (一)线偏振光的产生 1非金属表面的反射和折射 光线斜射向非金属的光滑平面(如水、木头、玻璃等)时,反射光和折射光都会产生偏振现象, 偏振的程度取决于光的入射角及反射物质
2、的性质。 当入射角是某一数值而反射光为线偏振光时,该入射角叫起偏角。起偏角的数值与反射物质的折射率n的关系是:ntan (1) 称为布如斯特定律,如图 1 所示。根据此式,可以简单地利用玻璃起偏,也可以用于测定物质的折射率。从空气入射到介质,一般起偏角在 53 度到 58 度之间。 非金属表面发射的线偏振光的振动方向总是垂直于入射面的; 透射光是部分偏振光; 使用多层玻璃组合成的玻璃堆,能得到很好的透射线偏振光,振动方向平行于入射面的。 图 1 图 2 2偏振片 分子型号的偏振片是利用聚乙烯醇塑胶膜制成, 它具有梳状长链形结构的分子, 这些分子平行地排列在同一方向上。 这种胶膜只允许垂直于分子
3、排列方向的光振动通过, 因而产生线偏振光,如图 2 所示。分子型偏振片的有效起偏范围几乎可达到 180 度,用它可得到较宽的偏振光束,是常用的起偏元件。 图 3 鉴别光的偏振状态叫检偏, 用作检偏的仪器叫或元件叫检偏器。 偏振片也可作检偏器使用。自然光、部分偏振光和线偏振光通过偏振片时,在垂直光线传播方向的平面内旋转偏振片时,可观察到不同的现象,如图 3 所示,图中()表示旋转 P,光强不变,为自然光; (b)表示旋转 P,无全暗位置,但光强变化,为部分偏振光; (c)表示旋转 P,可找到全暗位置,为线偏振光。 (二)圆偏振光和椭圆偏振光的产生 线偏振光垂直入射晶片,如果光轴平行于晶片的表面,
4、会产生比较特殊的双折射现象。这时,非常光e和寻常光o的传播方向是一致的,但速度不同,因而从晶片出射时会产生相位差 dnne)(200 (2) 式中0表示单色光在真空中的波长,on和en分别为晶体中o光和e光的折射率,d为晶片厚度。 1如果晶片的厚度使产生的相位差1(21)2k,k=0,1,2,这样的晶片称为 1/4 波片,其最小厚度为0min4()oednn。线偏振光通过 1/4 波片后,透射光一般是椭圆偏振光; 当=/4 时, 则为圆偏振光; 当0或/2 时, 椭圆偏振光退化为线偏振光。由此可知,1/4 波片可将线偏振光变成椭圆偏振光或圆偏振光;反之,它也可将椭圆偏振光或圆偏振光变成线偏振光
5、。 2如果晶片的厚度使产生的相差) 12(k,k=0,1,2,这样的晶片称为半波片,其最小厚度为0min2()oednn。如果入射线偏振光的振动面与半波片光轴的交角为,则通过半波片后的光仍为线偏振光,但其振动面相对于入射光的振动面转过2角。 3 如果晶片的厚度使产生的相差2k,k=1,2,3,这样的晶片称为全波片,其最小厚度为0minoednn。从该波片透射的光为线偏振光。 (三)线偏振光通过检偏器后光强的变化 强度为0I的线偏振光通过检偏器后的光强I为 20cosII (3) 式中,为线偏振光偏振面和检偏器主截面的夹角, (3)式为马吕斯(Malus)定律,它表示改变角可以改变透过检偏器的光
6、强。 当起偏器和检偏器的取向使得通过的光量极大时,称它们为平行(此时= 00) 。当二者的取向使系统射出的光量极小时,称它们为正交(此时= 900) 。 (四)布儒斯特角 光线斜射向非金属介质的表面,当入射角是某一数值时,其反射光为线偏振光,该入射角叫起偏角,又称布儒斯特角。 以自然光入射两种介质的界面,其反射光和折射光通常都是部分偏振光。 五、实验目的: (一)理解光的各种偏振特性; (二)学会鉴别圆偏振光、线偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光; (三)验证马吕斯定律; (四)通过测布儒斯特角求材料的相对折射率。 六、实验内容: (一)观察起偏和消光现象; (二)鉴别圆偏振光、线偏振光、椭圆偏振
7、光和部分偏振光; (三)验证马吕斯定律; (四)了解 1/4 波片和 1/2 波片的作用; (五)通过测布儒斯特角求材料的相对折射率。 七、实验器材(设备、元器件) : 半导体激光器 1 个,具有测量垂直旋转角度功能的偏振片 2 个、1/4 波片 1 个和 1/2 波片 1 个,带底座玻片 1 个,布儒斯特角专用旋转工作台和转动支架 1 个,普通光具座若干,光学导轨(两组合用)1 条,光强传感器和相对光强测量仪 1 套。 八、实验步骤: 进行以下操作时,应保证激光束与光学导轨平行,且激光束垂直穿过所有镜片的圆心,到达传感器的中心。 (一)观察起偏和消光现象。 1起偏:将激光投射到屏上,在激光束
8、中插入一偏振片,使偏振片在垂直于光束的平面内转动,观察透过光强的变化,并据此判断激光束(光源)的偏振情况。 2消光:在第一片偏振片和屏之间加入第二块偏振片,将第一块固定,转动第二块偏振片,观察现象,能否找到一个消光位置,此时两偏振片的位置关系怎样 12/nntg(二)验证马吕斯定律 数据记录表见表 1 1。首先在光源后放上 P1,使激光束垂直通过 P1中心,旋转 P1使光强最强(光电流的读数应在 200 1500 之间) ,记下 P1的角度坐标,再在 P1之后加入 P2,使光线垂直通过 P2中心,旋转 P2到透过之光最强,记下 P2的度数,此时 P1和 P2的夹角为=0或 180,保持 P1不
9、动,旋转 P2,每隔 10记录一次对应的光强值I,直到旋转 180。注意光强测试仪的读数与光强成线性关系,但没有定标, I不代表绝对光强,可以不写单位。 (三)1/4 波片和 1/2 波片的作用 11/4 波片的作用: 数据记录及分析表见表 1 2。保持 P1不动,记下 P1的度数,旋转 P2到看到消光现象,记下 P2的度数,然后在 P1、P2之间插入 1/4 波片 C1,并使 C1转动到再次出现消光现象,记下此时 C1的度数,然后使 C1由消光位置分别再转过 15、30、45、60、75、90时,每次都将 P2逐步旋转 360,观察其间光强的变化情况,试问能看到几次光强极大和极小的现象各次之
10、间有无变化为什么并说明各次由 C1透出光的偏振性质。 21/2 波片的作用 数据记录表见表 1 3。保持 P1不动,记下 P1的度数,旋转 P2到看到消光现象。 (1)在 P1和 P2之间插入一个 1/2 波片,将此波片旋转 360,能看到几次消光 (2)将 1/2 波片任意转过一个角度,破坏消光现象,再将 P2旋转 360,能看到几次消光 (3)改变 1/2 波片的光轴与激光通过 P1后偏振方向之间夹角的数值,使其分别为15、 30、 45、 60、 75、 90, 把 P2旋转 360寻找消光位置, 记录相应的角度p2,解释上面实验结果,并由此总结出 1/2 波片的作用。 (四)通过测布儒
11、斯特角求材料的相对折射率 要测量玻璃的相对折射率,首先要测出空气中平面玻璃的布儒斯特角。为此,必须在光具座上安装旋转工作台和转动支架。参考图1 1,具体步骤如下: 1在光具座上装一个移动座,其后再放入专用移动座,并把旋转支架装到专用移动座上,再把旋转工作台装入到专用移动座上,把接收屏装入旋转支架的末端,把偏振片装在工作台与接收屏之间。 2在移动座上装上光源。并调整反射光、偏振片光轴、接收器光轴在同一平面内。 3将平面玻璃样品置于旋转工作台中心,并使反射面通过旋转中心,并用压片把样品砖固定。使反射面垂直于入射光,读下此时工作台度数io。 转动载物台以改变入射角, 致使反射光为线偏振光, 即旋转接
12、收屏前的偏振片时会出现消光现象,读下此时旋转工作台的度数i1,记录到表 1 4。重复 3 次,取i1平均值。 P2 i0 i0 光源接收屏 图 1 1. 测量布鲁斯特角 40iiil,i为所测得布儒斯特角。由此公式求出相对折射率: tgi=n2/n1 n2=n1tgi 式中 n2为要求的相对折射率, n1为空气的折射率,值为 1。 (n1是多少位有效数字) 九、实验数据及结果分析: (一)观察起偏和消光现象 (1)起偏:在激光束中插入一偏振片,3600旋转偏振片,观察透过光强几乎看不出明暗变化,根据光源判断已起偏得到偏振光。 (2)消光:在第一片偏振片和屏之间加入第二块偏振片,3600转动第二
13、块偏振片,观察透过光强有 2 次消光,2 次最强的现象,在消光位置,此时两偏振片的位置相互垂直。 (二)验证马吕斯定律 P1=_3020_, P2=_3450_ P1和 P2之间的夹角 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 光电流I 797 780 743 693 630 534 413 240 83 8 P1和 P2之间的夹角 100 110 120 130 140 150 160 170 180 光电流I 30 130 310 470 574 667 731 768 785 计算 cos2值 P1和 P2之间的夹角 0 10 20 30 40 50 60 70 80 9
14、0 光电流I 797 780 743 693 630 534 413 240 83 8 cos cos2 绘制出I和Icos2曲线图,并分析曲线的含义。 光电流I和 P1和 P2之间的夹角的关系图 从图中可以看出光电流I随着有小变大其值由最大变为零又变为最大,变化形式为余弦函数关系。 光电流I与 cos2关系图 由2cosI可知道2cos与I成线性关系。 (三)1/4 波片的作用 oP01 oP5 .922 oC9041波片 1C由消光位置分别再转过 o0 o15 o30 o45 o60 o75 o90 /度 I I I cos2 2P旋转o360光强几次极大,几次极小 各 2 次 各 2 次
15、 各 2 次 0 次 各 2 次 各 2 次 各 2 次 各次之间光强变化明显程度 很明显 较明显 不明显 无变化 不明显 较明显 很明显 1C透出光的偏振性质 线偏振 椭圆 椭圆 圆偏振 椭圆 椭圆 线偏振 总结 1/4 波片的作用: 答:1/4 波片可将线偏振光变成椭圆偏振光或圆偏振光;反之,它也可将椭圆偏振光或圆偏振光变成线偏振光 (四)1/2 波片的作用 1 在 P1和 P2之间插入一个 1/2 波片, 将此波片旋转 3600, 能看到几次消光请加以解释。 答:能看到四次消光。如果入射线偏振光的振动面与半波片光轴的交角为,则通过半波片后的光仍为线偏振光,但其振动面相对于入射光的振动面转
16、过2角。 2将 1/2 波片任意转过一个角度,破坏消光现象,再将 P2旋转 3600,又能看到几次消光为什么 答:能看到两次消光。如果入射线偏振光的振动面与半波片光轴的交角为,则通过半波片后的光仍为线偏振光,但其振动面相对于入射光的振动面转过2角。 3改变 1/2 波片的快(或慢)轴与激光振动方向之间夹角的数值,使其分别为 150、300、450、600、750、900,旋转 P2到消光位置,记录相应的角度p2。 表 1 3 1/2 波片数据记录表 P1=_360_, P2=_1260_, 1/2 波片 C2=_950_ 0 15 30 45 60 75 90 P2所在的消 光位置P2 : (
17、位置 1) (位置 2) 1260 3020 1560 3320 1840 50 2150 350 2450 640 2740 930 3030 1250 解释上面实验结果,并由此总结出 1/2 波片的作用。 答: 如果入射线偏振光的振动面与半波片光轴的交角为, 则通过半波片后的光仍为线偏振光,不改变入射光的偏振性质,但其振动面相对于入射光的振动面转过2角。 (五)通过测布儒斯特角求材料的相对折射率 测量次数 1 2 3 io i1 i= i1- io 由公式 i=i1- io和 tgi=n2/n1,求材料的相对折射率和相对误差。 03215 .560 .566 .570 .56iiii 玻璃
18、材料折射律: 2156.51.51ntgitgitgn 相对误差:%5 . 3%10045845. 145845. 1-51. 1%100-E2标标测nnnn 十、实验结论: 1、本实验通过偏振片观察到了起偏和消光现象。 2 掌握了 1/4 波片的作用: 线偏振光通过 1/4 波片后, 投射光一般是椭圆偏振光; 当=/4时则为圆偏振光;=0 或/2 当时,椭圆偏振光退化为线偏振光。由此可知,1/4 波片可将线偏振光变成椭圆偏振光或圆偏振光; 反之, 它也可将椭圆偏振光或圆偏振光变成线偏振光。 3掌握了 1/2 波片的作用:由实验数据可以看出:如果入射线偏振光的振动面与波片光轴的交角为,则通过半
19、波片后的光仍为线偏振光,但其振动面相对于入射光转过 2。 4验证马吕斯定律:结果分析:由2cosI可知道2cos与I成线性关系,满足马吕斯定律20cosII。 5通过测定布儒斯特角求材料的相对折射律 :所测玻璃材料相对折射率为 。 十一、总结及心得体会、实验改进: 本实验的设计简明易懂, 能使大家能很好地理解其实验的原理, 对光偏振的特性既有理性的认识,又有感性的认知,理论结合实践,也提高了对学习的热情。光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性, 而光的偏振现象却直接有力地证明了光波是横波。 本实验通过对偏振光的观察和分析,帮助我们加深对光的偏振基本规律的理解。 本次实验我通过对偏振光的观察和分析,加深了对光的偏振基本规律的理解。实验中,我观察了光的偏振现象, 掌握产生偏振光的方法和检验方法; 了解了 1/4 和 1/2 波片的的作用及不同偏振性质光产生和检验的方法; 完成了验证马吕斯定律; 通过测定布儒斯特角求材料的相对折射率等内容。 通过本次试验,使我进一步的了解到了偏振光的有关知识。对光有了更深一步的了解。 本实验若能提高仪器在采集光源时的灵敏度,那么在光源对准仪器时就不会难调节了,偏振片偏振化方向与角度对应关系需要再进一步的调整。 报告评分: 指导教师签字: