偏振光研究课题实验.docx
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偏振光研究课题实验
偏振光的研究（课题实验）
光的干与和衍射现象说明了光的波动性，光的偏振现象那么进一步证明光波是横波。
光的偏振在光学计量、光弹技术、薄膜技术等领域有着重要的应用。
课前试探
1.线偏振光的产生
能够产生线偏振光的方式有哪些？
设计相应的实验方式，画出光路图，列出所需实验
器材。
2.马吕斯定律
何为马吕斯定律？
如何验证马吕斯定律？
设计光路及操作步骤，列出所需实验器材，试探实验中可能存在哪些干扰因素？
如何减少及幸免其阻碍？
3.反射光与折射光的偏振特性
自然光入射两种介质界面时，反射光与折射光各有何偏振特性？
何为布儒斯特定
律？
如何测定布儒斯特角？
设计光路及操作步骤，列出所需实验器材，并试探如何通过反射光的偏振特性确信未知偏振方向偏振片的偏振化方向。
4.波片的性质及应用
何为波片？
半波片和1/4波片各有何特性？
波片对偏振光的作用有哪些？
设计实验进行波片对偏振光作用的综合观看与辨别，列出所需实验器材。
5.物质的旋光特性
什么是旋光现象？
旋光物质有哪些？
旋光特性有哪些实际应用？
6.半导体激光器的偏振特性
初步了解半导体激光器的工作原理，设计方案测量半导体激光器出射光的偏振度（光的偏振度：
在部份偏振光的总强度中，完全偏振光所占的成份叫做偏振度。
偏振度的数值愈接近1，光线的偏振化程度就越高。
）
7.偏振光的干与
偏振光的干与现象是如何产生？
偏振光的干与有哪些实际应用？
实验要求
课题任务1~2项为必做实验内容，其他课题任务为选做内容，请同窗们依照课时内实验完成情形及爱好择一项或多项选做内容进行研究。
本实验是定性半定量的实验，实验重在观看、分析、归纳、总结。
实验报告中请用简练的语言说明原理、实验方案，画出必要的实验装置光路示用意，记录观看的现象并加以说明、分析总结。
课题任务
1.光的偏振特性—验证马吕斯定律
利用现有仪器验证马吕斯定律，记录角度转变与对应功率值（测量范围0°—360°，每10°距离测量），做出角度与功率关系曲线，并将实验值与理论值进行比较，计算其相对误差，对结果加以分析和评判。
注意：
由于半导体激光具有偏振性，转动起偏器，观看其后的接收白屏，在光强相对较大时进行实验。
建议光功率计探头光阑置于φ6，尽可能使光束全数进入探头，并锁紧所有螺钉。
2.光的偏振特性—反射光的偏振特性
通过观看棱镜材料表面反射光的偏振特性，加深对其理解，测量出布儒斯特角，并确信偏振片的偏振方向，计算棱镜材料的折射率。
采纳半导体激光器、偏振片、1/4波片、白屏、布儒斯特转角装置及光功率计。
各实验器件放置应易于操作、便于观看，注意调剂各光学器件等高同轴。
利用起偏器和1/4波片产生圆偏振光，其后放置布儒斯特转角装置及转接杆，在转接杆上放置检偏器及光探头，使光探头卡在杆上凹槽中，调剂高度至激光射入探头光阑中。
在光学转动平台上放置好棱镜，使光学表面穿过转动平台中心。
转动平台，使棱镜表面垂直于入射光，记下现在转动平台的位置值。
再次转动平台，利用转接杆用白屏追踪反射光斑，同时转动检偏器，认真观看反射光的偏振态，测量光强转变情形，了解入射角与偏振态的关系，找到反射光为线偏振光时的位置，记下现在转动平台的位置值，现在的入射角为布儒斯特角。
3.物质的旋光特性
将旋光晶体置于已消光的起偏器与检偏器间，观看旋光现象，测出旋光率（关于晶
体而言，振动面旋转的角度ψ与晶片的厚度d成正比，即ψ=αd其中比例系数α称为该晶体的旋光率，它与入射光的波长有关）。
4.半导体激光器的偏振特性
通过偏振片观看半导体激光器的偏振特性，记录其功率最大值和最小值，和所对应的角度，求出半导体激光的偏振度。
5.波片的性质及应用
a．1/4波片的作用：
将方向未知的1/4波片的光轴方向定位，并利用已定位的1/4波片对偏振光进行综合观看与辨别，加深对其性质及偏振光相关知识的明白得。
采纳半导体激光器、偏振器、1/4波片，调剂光学器件的同轴等高。
将1/4波片置于已消光的起偏器与检偏器间，转动1/4波片一周观看消光位置，确信1/4波片光轴方向，改变1/4波片的光轴方向与起偏器的偏振方向之间的夹角a（a别离取0°，15°，45°……180°），每取一个a值，检偏器转动一周，观看输出光的光强转变并加以说明，如下表完成所列任务。
表1偏振光的综合观看与辨别
a（°）
检偏器转动一周，
输出光的光强变化
结论
输出光强最暗时
检偏器的方位
0
两明两零
线偏光
90°、270°
15
45
65
90
115
135
165
180
b．1/2波片的作用：
将方向未知的半波片的光轴方向定位，并利用已定位的半波片对偏振光进行观看，加深对其性质的明白得。
实验室现已预备的设备及器件
光具座、半导体激光器（波长650nm）、偏振片两只（偏振方向未定位）、1/2波片（光轴方向未定位）、1/4波片（光轴方向未定位）、三棱镜、石英旋光晶体（厚度d=3mm）、OPT-1A型激光功率计（含12档光阑探头）、光学转动平台及光学支架等。
实验注意事项
1．注意光路的同轴等高调剂。
本实验中为了兼顾后续实验对光源的高度要求，开始调剂时将光源高度尽可能调高。
2．注意光学器件的标准利用。
利用光学元件应轻拿轻放，切勿用手触碰光学表
面，利用完毕后应及时放回元件盒内对应位置。
3．利用激光光源时，切勿用眼睛直视激光！
学习参考指南
8.赵凯华《光学》（第一版），偏振，高等教育出版社。
9.马文蔚《物理学》下册（第五版），光的偏振性，高等教育出版社。
10.陆果《基础物理学》下卷，光的偏振，高等教育出版社。
11.郁道银、谈恒英《工程光学》（第二版），光的偏振和晶体光学基础，机械工业出版社。
附录1：
激光功率计利用说明书
附录2：
光学实验调剂及仪器利用注意事项
附录3：
历史背景
附录4：
理论知识
附录1：
激光功率计利用说明书
OPT-1A型激光功率指示计是一种数字显示的光功率测量仪器，采纳硅光电池作为光传感器，针对650nm波长的激光进行了标定，用于测量该波段的激光功率。
如图：
1.表头：
3位半数字表头，用于显示光强的大小。
2.量程选择钮：
分为200uW、2mW、20mW、200mW四个标定量程和可调档；测量时尽可能采纳适合的量程，如测得光强为，那么采纳2mW量程。
可调档显示的是光强相对值。
3.调零：
调零时应遮断光源，旋动调零旋钮，使显示值为零。
4.
12档光阑探头：
该光探头在硅光电池前加上一多结构光阑（圆孔直径为、、、、、6.0mm，缝宽、、、、1.2mm）。
可用于光斑定位，光强散布、光斑结构测量等，利用者依如实际测量需要，采纳相应的档位。
利用方式：
1.连接好激光探头和220v电源。
打开后面板上的电源开关，数值表头亮。
2.将激光探头对准被测的激光束，使光束进入测量孔。
3.依照光功率的大小选择适当的量程。
量程刻度上的值为该量程可测量的最大值，如200μW是指该档最大测量200μW的激光功率，单位为微瓦，当光功率大于该档最大指示值时，表头溢出显示“1”。
4.仪器量程分为200μW、2mW、20mW、200mW和可调档5个量程。
当波段开关打到可调档时，连接的电位器可改变表头指示。
该档要紧用于测量相对值，即测量两束光的功率比值或光强散布等。
5.调零电位器用于调整仪器的零点。
即在无光照时，应将仪器指示值调为“0”。
6.指示计后面板提供了一个半导体激光电源插座，可为相应的半导体激光器提供电源。
附录2：
光学实验调剂及仪器利用注意事项
1.注意光路的同轴等高调剂，保证整个光路的光轴沿导轨中轴且高度相同。
a．调剂激光输出光束沿中轴并平行于导轨面射出，当小孔屏沿导轨移动时，观看激光斑射在孔屏上的位置转变情形，通过调剂激光器后相应旋钮，使激光斑能始终维持与小孔重合。
b．调剂所用光学元件的光学面中轴高度相等，观看光束是不是射到元件光学面中心，
对光学元件及夹具进行多维度调剂；
c．调剂光学元件共轴，依据光学原理，通过观看各光学元件的反射或透射光点的位
置，通过度析、判定慢慢加以调剂。
2.注意光学器件的标准利用。
a.利用光学元件应轻拿轻放，利用完毕后应及时放回元件盒内对应位置。
b.利用光学元件时，切勿用手触碰光学表面。
当光学表面不够清洁等而阻碍实验进
行时，同学切记不要自行处置，请及时报告教师，由老师或在教师的指导下标准的进行清洁工作，幸免操作不妥造成元件的人为损坏。
c.利用激光光源时，切勿用眼睛直视激光！
幸免灼伤眼睛！
附录3：
历史背景
1809年，法国物理学家及军事工程师马吕斯（E．L．Malus）发觉双折射的两束光线的相对强度和晶体的位置有关，从而发觉反射光阴的偏振现象，确信了偏振光强度转变的规律，成立马吕斯定律。
1811年，苏格兰物理学家布儒斯特（DavidBrewster）在研究光的偏振现象时发觉，当自然光在两种介质界面反射折射时，假设反射光与折射光两方向成直角，反射光为线偏振光，反射角的正切等于折射率比值，称为布儒斯特定律。
法国物理学家及天文学家阿拉果（Arago）发觉偏振光通过晶体时产生丰硕彩色的色偏振现象，并发觉石英有使光偏振方向旋转的能力，即物质的旋光性。
1816年，布儒斯特发觉玻璃变形会产生光的双折射现象，成为光测弹性学的开端。
1817年，英国医生和物理学家托马斯·杨（T．Young）提出光的横向振动假说。
1818年，法国土木工程师、物理学家菲涅耳（A．J．Fresnel）与物理学家阿拉果系统地研究了偏振光的干与，证明来自同一光源但偏振面彼此垂直的偏振光不能干与，从而确信了光波的横向振动理论，并证明了光的偏振及所有已知的光学现象，进展了惠更斯和托马斯·杨的波动理论，成为“物理光学的制造者”。
二十世纪60年代起，伴随着激光、光纤的诞生及进展，光的偏振技术不但在测定机械构件的应力散布、测定晶轴方位、测定糖溶液的浓度方面取得应用，在光电子工程、光波导技术、光信息工程等技术领域应用越发普遍，应用范围已涉及与光学技术有关的几乎所有学科领域。
附录4：
理论知识
光的偏振
1光的横波性
1809年马吕斯在实验上就发觉了光的偏振现象。
但直到光的电磁理论成立后，光的横波性才得以完满的说明。
在自由空间传播的光波是一种纯粹的横波，光波中沿横向振动着的物理量是电场矢量和磁场矢量，鉴于在光和物质的彼此作用进程中主若是光波中的电矢量起作用，因这人们常以电矢量作为光波中振动矢量的代表。
2偏振光
光的横波性只说明电矢量与光的传播方向垂直，在与传播方向垂直的二维空间里电矢量还可能各式各样的振动状态，咱们称之为光的偏振态。
实际中最多见的光的偏振态大体可分为五种，即自然光、部份偏振光、线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。
自然光
一般光源发出的光是大量原子或分子独立的随机自发辐射的平均成效，各原子或分子发出的光波不仅初位相彼此无关联，它们的振动方向也是杂乱无章的。
因此宏观看起来，入射光中包括了所有方向的横振动，而平均说来它们关于光的传播方向形成轴对称散布，哪个横方向也不比其它横方向更为突出。
具有这种特点的光叫做自然光。
部份偏振光
常常碰到的光，除自然光和线偏振光外，一种偏振状态介于二者之间的光。
若是用检偏器去查验这种光的时候，随着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交替显现强度极大和消光，其强度每转90o也交替显现极大和极小，但强度的极小不是0（即不消光）。
具有这种特点的光，叫做部份偏振光。
通经常使用偏振度P来衡量部份偏振光程度的大小，它概念为
P=（I极大-I极小）/（I极大+I极小）
那个地址分母I极大+I极小实际是两个彼此垂直分量的强度之和，即部份偏振光。
线偏振光是偏振度最大的光。
线偏振光
透过偏振片的光线中只剩下了与其透光方向平行的振动。
这种只包括单一振动方向光叫做线偏振光。
线偏振光中振动方向与传播方向组成的平面，叫做偏振面。
偏振片用来产生线偏振光，咱们叫它起偏器。
偏振片用来查验线偏振光，叫做检偏器。
I=I0Cos2θθ为偏振面夹角
线偏振光通过检偏器后透射光强度随θ角转变的规律，叫做马吕斯定律。
圆偏振光
若是一束光的电矢量在波面内运动的特点是其瞬时值的大小不变，方向以角速度ω（即波的圆频率）匀速旋转，换句话说，电矢量的端点刻画的轨道为一圆，这种光叫做圆偏振光。
垂直振动的合成理论告知咱们，两个彼此垂直的简谐振动，当它们的振幅相等，位相差±π/2时，其合成运动是一个旋转矢量，因此圆偏振光可看成是两个彼此垂直的线偏振光的合成，而分量应写成
Ex=Acosωt
Ey=Acos（ωt±π/2）
若是迎着圆偏振光的传播方向放一偏振片，并旋转其透光方向以观看透射光强的转变，咱们会发觉光强不发生转变。
椭圆偏振光
电矢量的端点在波面内刻画的轨迹为一椭圆的光，称为椭圆偏振光。
椭圆运动也可看成是两个彼此垂直的简谐振动的合成，只是它们的振幅不等，或位相差不等于±π/2。
而分量可写成
Ex=Acosωt
Ey=Acos（ωt±δ）δ为位相差
若是迎着椭圆偏振光的传播方向放一偏振片，并旋转其透光方向以观看透射光强的转变，咱们会发觉其光强转变特点类似部份偏振光，即强度每转90o也交替显现极大和极小，但无消光位置。
3反射、折射光的偏振特性
自然光入射到折射率两种介质的界面上时，反射光和折射光都是部份偏振光。
专门是当以布儒斯特角入射时，反射光为线偏振光，其振动面垂直于入射面。
因此，能够利用自然光以布儒斯特角入射到电介质表面（如玻璃等）产生线偏振光，能够利用平行玻璃片堆同时取得反射和透射的线偏振光。
入射光在空气与介质界面的反射、折射光路图示如下：
依照麦克斯韦的电磁理论和边值条件，咱们能够推导如下关系：
E’P=tan（I1-I2）EP/tan（I1+I2）
E’S=sin（I1-I2）ES/sin（I1+I2）
其中E’P为偏振面平行于入射面的反射光电矢量，EP为偏振面平行于入射面的入射光电矢量，
E’S为偏振面垂直于入射面的反射光电矢量，ES为偏振面垂直于入射面的入射光电矢量。
分析上式咱们发觉，由于tan90o=∞，E’P可能为0，即在I1+I2=90o时，反射光中可能不含平行分量，不管入射光是什么状态，反射光都是线偏振光。
由折射定律：
sinI1=nsinI2和I1+I2=90o
取得tanI1=n时，反射光是线偏振光。
这确实是布儒斯特定律，现在的入射角I1咱们称为布儒斯特角，它的大小由材料的折射率决定。
4双折射及波片
具有双折射现象的材料有如此一种光学特性：
及当一束光进入这种材料时可能会分成两束，这两束光的传播方向、振动方向和速度将有所不同，一束符合咱们所明白的折射定律，如垂直入射光阴束方向不变，但另一束却不符合那个规律。
咱们别离将这两束光称为O光和E光，对应的折射率别离为no和ne。
在这种晶体中还存在一个特定的方向，当光从那个方向上进入材料时可不能分成两束，符合一样的折射定律，那个特殊的方向确实是材料的光轴方向。
波片是一种将具有双折射现象的材料（如方解石晶体，石英晶体等）按必然技术要求加工而成的光学元件。
波片在加工时，使通光表面平行于光轴，即入射光将垂直于光轴进入波片。
此刻假设一束线偏振光以偏振方向同波片光轴成θ角的状态垂直入射于波片。
这时会发生一种比较特殊的双折射现象，即O光和E光传播方向相同，但传播速度不同，或说o光和e光在波片中的折射率不同，透过波片以后二者之间产生必然的位相差。
波片产生的位相差和光程不同离为
Δφ=2π（no−ne）d/λ，δ=（no−ne）d，
d为波片的厚度，no、ne别离为波片对o光和e光的折射率。
关于某一波长，选择不同的厚度可取得不同的波片：
δ=±（2k+1）λ/2时，为λ/2波片，
δ=±（2k+1）λ/4时，为λ/4波片，
δ=±kλ（k≠0）时，为全波片。
5偏振光的产生和查验
偏振光的取得
自然界的大多数光源所发出的是自然光。
为了从自然光取得各类偏振光，需要采纳偏振器件。
偏振片、玻片堆和尼科耳棱镜等都能够用作起偏器，自然光通过这些起偏器后就变成了线偏振光。
偏振片经常使用具二向色性的晶体制成，这些晶体对不同方向的电磁振动具有选择吸收的性质，当光线射在晶体的表面上时，振动的电矢量与光轴平行时吸收得较少，光能够较多地通过；电矢量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得很少。
通常的偏振片是在拉伸了的塞璐璐基片上蒸镀一层硫酸碘奎宁的晶粒，基片的应力能够使晶粒的光轴定向排列起来，如此可取得面积专门大的偏振片。
为了取得椭圆偏振光，使自然光通过一个起偏器和一个波片即可。
由起偏器出射偏振光正入射到波片中去时，只要其振动方向不与波片的光轴平行或垂直，就会分解成0光和e光，穿过波片时在它们之间就有必然的附加相位差δ。
射出波片以后，传播方向相同的这两束光的速度恢复到一样，它们在一路一样是合成椭圆偏振光。
只有当这两面束光之间的相位差等于±π/2，且振幅相同时，才有可能取得圆偏振光。
换言之，令一束线偏振光垂直通过一波片，一样咱们取得一束椭圆偏振光；只有通过1/4波片，且波片的光轴与入射光的振动面成对45°角时，咱们才能取得一束圆偏振光。
偏振光的查验
假定入射光有以下五种可能性，即自然光，部份偏光，线偏振光，圆偏振光和椭圆偏振光。
查验偏振光的方式是:
第一步，利用一块偏振片或其它检偏器，在旋转一周时透过检偏器的光强不变，那么能够判定入射光是自然光或圆偏振光；不然确实是部份偏振光或椭圆偏振光。
第二步,为了辨别自然光和圆偏振光。
能够令入射光依次通过1/4波片和偏振片，圆偏振光经波片后变成了线偏振光，于是通过转动偏振片有无消光现象而辨别出来。
为了辨别部份偏振光的和椭圆偏振光，那么必需设法让1/4波片的光轴与椭圆主轴平行，只有如此才能使椭圆偏振光通过波片后变成为线偏振光而将它辨别出来。
6偏振光的干与
偏振光的干与现象
线偏振光垂直通过波片时，按其振动方向（或振动面）分解成o光和e光，它们具有相同的振动频率，以恒定的相位差在同一方向上传播。
只要设法将它们的振动方向引到同一方向上来，就能够知足相干条件，从而实现偏振光的干与，与分波前干与和分振幅干与相较，它是分振动面干与，波片是分振动面元件。
将波片置于两偏振片间，能够观看到以下各类干与现象：
1.当波片厚度均匀，用单色光源时，转动任一元件，屏上的光强会发生转变。
用白光源时屏上显现彩色图样，并随元件转动颜色发生转变。
2.当波片不均匀，用单色光源时屏上显现干与图样；用白色光源屏上显现彩色图样。
3.当波片用透明塑料代替时，对塑料加应力后屏上会显现随应力大小转变的明暗或彩色干与图样。
光弹效应和电光效应
1.光弹效应
在内应力或外来的机械应力作用下，能够使透明的各向同性的介质（例如玻璃和塑料等）变成各向异性的，从而使光产生双折射，这种现象称为光弹效应。
在这种应力作用下的透明介质中，（no-ne）与应力的散布有关。
因此，若是这种透明介质做成片状，插在两偏振片之间，不同地址因（no-ne）不同会引发o光和e间不同的相位差δ，屏幕上将呈现出反映这种不同的干与图样。
应力越集中地址，各向异性越强，干与条纹越细密。
在白光照射下，那么显示出彩色的干与图样。
2.电光效应
在外加电场的作用下，也能够利用某些各向同性的透明介质变成各向异性的，从而使光产生双折射，这种现象称为电光效应。
一种电光效应称为克尔效应，是克尔（,1824-1970）在1875年发觉的。
在外增强电场的作用下，介质分子作定向排列而呈现出各向异性，其光学性质与单轴晶体类似；外电场一旦撤除，这种各向异性当即消失。
1893年，泡克耳斯（Pockels,1865-1913）对某些晶体在电场作用下产生的线性电光效应，进行了普遍的研究。
此刻，人们常把这种电光效应称为泡克耳斯效应。
在具有这种效应的晶体中，最典型的是磷酸二氢钾（KH2PO4）晶体，简称KDP晶体。
这种晶体在自由状态下是单轴晶体，但在电场作用下变成了双轴晶体，沿原先光轴的方向产生附加的双折射效应。
由于克尔盒中的硝基苯液体有毒，且携带不便，对它的纯度要求又很高，因此最近几年来克尔盒已慢慢为KDP晶体所代替。
专门是激光的显现，大大增进了电光晶体的研制。
在近代光学技术中经常使用的电光晶体，除KDP晶体外，还有砷化镓（GaAs）和铌酸锂（LiNbO3）晶体等等。
另外，砷化镓仍是集成光学中重要的材料。
集成光学是采纳薄膜结构来传导、调制和偏转光波，和进行光信息处置或产生光振荡的。
7旋光现象
晶体和溶液的旋光性
在一般的单轴晶体（如方解石）中，光线沿光轴传播时不发生双折射，这时o光和e的传播方向和波速都一样。
因此，若是咱们在这种晶体内垂直于光轴切割出一块平行平面晶片，并将它插在一对正交的偏振片之间，那么从偏振片I透出来的线偏振光通过此晶片时偏振状态没有改变，在偏振片II以后仍然消光。
可是，在用石英晶体代替方解石做上述实验时发觉，要使偏振片II以后消光，必需将偏振片II的透振方向向左或向右旋转一个角度ψ。
上述现象说明，线偏振光在通过这些物质后，它的振动发生了旋转，这种现象称为旋光现象。
某些物质具有能使线偏振光的振动面发生旋转的性质，称为旋光性（opticalactivity）。
这些具有旋光性的物质，称为旋光物质。
关于晶体而言，振动面旋转的角度ψ与晶片的厚度d成正比，即
ψ=αd
其中比例系数α称为该晶体的旋光率（specificrotation），它与入射光的波长有关。
关于溶液而言，ψ还与溶液的浓度C成正比，即
ψ=αˊCd
其中比例系数αˊ称为该溶液的比旋光率。
溶液的旋光性在制糖、制药和化工等方面很有效，例如测定糖溶液浓度的糖量计，确实是依照糖溶液的旋光性而设计的一种仪器。
能够在必然的温度和波长下事前测得比旋率αˊ，然后再测出未知浓度溶液使振动面偏转的角度ψ，即可利用上确信其浓度。
磁致旋光
正如用应力和电场等人工方式能够产生双折射一样，用人工方式也能够产生旋光性，其中最重要的是磁致旋光，常称为法拉第旋转，它是法拉第在1846年发觉的。
实验说明，关于给定的磁性介质，光的振动面的转角ψ与样品的长度l和外加磁场的磁感应强度B成正比，即
ψ=VlB
比例系数V称为费尔德常量，一样它都很小。
利用这一特点能够制成光隔离器，即只许诺光从一个方向通过，而不能从反方向通过的光阀门。
这在激光的多级放大装置中往往是必要的，因为光学放大系统中有许多界面，它们都会把一部份光反射归去，这对前级的装置会造成干扰和损害，装了光隔离器就能够够幸免这一点。
12.赵凯华《光学》（第一版），偏振，高等教育出版社。
13.马文蔚《物理学》下册（第五版），光的偏振性，高等教育出版社。
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