分光计测反射光的偏振特性

1、评分：大学物理实验设计性实验实验报实验题目：分光计测反射光的偏振特性班 级：姓 名：学号：_指导教师：茂名学院技术物理系大学物理实验室实验日期：200 9年12月 1日实验25分光计测反射光的偏振特性实验提要实验课题及任务分光计测反射光的偏振特性实验课题任务是：光的偏振现象揭示了光波是横波的 性质它使人们对光的传播（反射、折射、吸收和散射）的规律有了新的认识，并在光学计量、 晶体性质和应力分析研究等方面有着广泛的应用。学生根据自己所学的知识，并在图书馆或互联网上查找资料，设计出分光计测反射 光的偏振特性的整体方案，内容包括：写出实验原理和理论计算公式，研究测量方法， 写出实验内容和步骤，然后根

2、据自己设计的方案，进行实验操作，记录数据，做好数据处 理，得出实验结果，写出完整的实验报告，也可按书写科学论文的格式书写实验报告。设计要求 通过查找资料，并到实验室了解所用仪器的实物以及阅读仪器使用说明书，了解仪器的使用方法，找出所要测量的物理量，并推导出计算公式，在此基础上写出该实验的实 验原理。选择实验的测量仪器，设计出实验方法和实验步骤，要具有可操作性。在分光计上观察反射光的偏振现象，测定起偏角。 应该用什么方法处理数据，说明原因。实验结果用标准形式表达，即用不确定度来表征测量结果的可信赖程度。实验仪器分光仪、偏振片、汞灯与待测玻璃片，设计提示当振动面与入射面一致的平面偏振光入射到媒质表

3、面时，入射角越接近起偏角:，反 射光越弱；入射角等于，则线偏振光全部进入媒质，不再有反射光。利用分光计可测定 偏振光从空气射向玻璃的起偏角。提交整体设计方案时间学生自选题后23周内完成实验整体设计方案并提交。提交整体设计方案，要求用纸 质版（电子版用电子邮件发送到指导教师的电子邮箱里 ）供教师修改。实验题目:分光计测反射光的偏振特性实验目的：1 .观察光的偏振现象，熟悉偏振的基本规律。测定偏振光的起偏角。用最小偏向角法测定玻璃的折射率。实验仪器：分光计，偏振片（2个），玻璃片，汞光灯调节分光仪先用目测法进行粗调，平行光管锁紧螺钉，调节平行光管倾斜度调节螺钉与望远镜倾 斜度调节螺钉，使两者目测呈

4、水平。再完全松开载物台倾斜度调节螺钉，使上圆盘紧贴着 下圆盘，使载物台呈水平。（1）调节望远镜聚焦无穷远打开小灯泡开关照亮目镜中的双十字叉丝，前后移动目镜，使双十字叉丝位于目镜的焦平面上，使该十字最清晰。然后，将一平面反射镜按图放在载物台上，使平面镜的反 射面与平台下的两个螺丝a2和a3的连线垂直，当调节镜面的俯仰时只需调节a2和a3就行 了。缓慢地左右转动平台，使由透明十字叉丝线经物镜发出的平行绿光经镜面反射后， 又回到物镜镜筒中并行成一模糊的小十字像。若看不见像或光斑，说明镜面对望远镜的 倾斜度不合适，应调节望远镜的螺丝或调节平台下的螺丝 a2和a3以找到光斑。找到光斑 后，前后移动目镜套

5、筒，使十字像最清晰。这时候望远镜就已经聚焦无穷远。（2）调节望远镜光轴与仪器转轴垂直彻去平面镜，把三棱镜放在平台上，顶角 A与平台圆心重合，一条边与平台底下的两个螺丝a2和a3的连线的中垂线重合，而且一个光学面正对望远镜，另一光学面对着平行光管180，重复刚90，调节平台下的螺丝ai，使十左右转动平台，观察望远镜中是否能观察到十字像，若没有，就调节望远镜倾斜度螺丝和 平台调节螺丝a2和a3，使在望远镜中能看到反射回来的十字叉丝。 若看到的十字像如下图, 采用各调一半法进行处理，即调节望远镜倾斜度螺丝，使十字像与上叉丝的距离移近一半， 调节靠近望远镜这一端的平台调节螺丝，使十字像与上叉丝重合。旋

6、转平台 才的步骤，使十字像与上叉丝重合为止，接着旋转平台 字像与上叉丝最终重合（3）调整平行光管，使其产生平行光，并使其光轴与仪器转轴平行用前面已经调整好的望远镜调节平行光管。当平行光管射出平行光时，则狭缝成像于 望远镜物镜的焦平面上，在望远镜中就能清楚地看到狭缝像，并与准线无视差。?调整平行光管产生平行光。取下载物台上的平面镜，关掉望远镜中的照明小灯，用 钠灯照亮狭缝，从望远镜中观察来自平行光管的狭缝像，同时调节平行光管狭缝与透镜间 的距离，直至能在望远镜中看到清晰的狭缝像为止，然后调节缝宽使望远镜视场中的缝宽 约为1mm?调节平行光管的光轴与分光计中心轴相垂直。望远镜中看到清晰的狭缝像后，

7、转 动狭缝（但不能前后移动）至水平状态，调节平行光管倾斜螺丝，使狭缝水平像被分划 板的中央十字线上、下平分。这时平行光管的光轴已与分光计中心轴相垂直。再把狭缝 转至铅直位置，并需保持狭缝像最清晰而且无视差。实验原理：光的干涉和衍射现象显示了光的波动特性，但还不能完全断定光是纵波还是横波。光 的偏振现象从实验上清楚地显示出光的横波性，这一点与光的电磁理论的预言一致。可以 说光的偏振现象为光的电磁波本性提供了进一步的证据。一、自然光与偏振光光波是横波，即光波矢量的振动方向垂直于光的传播方向。通常，光源发出的光波， 其光波矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则取向，但统计平均来说，在空间所有可能的

8、方向上，光波矢量的分布可看作是机会均等的，它们的总和与光的传播方向是对称 的，即光矢量具有轴对称性、均匀分布、各方向振动的振幅相同，这种光就称为自然光。 偏振光是指光矢量的振动方向不变，或具有 某种规则地变化的光波。按照其性质，偏振光 又可分为平面偏振光（线偏振光）、圆偏振光和椭圆偏振光、部分偏振光几种。如果光波 电矢量的振动方向只局限在一确定的平面内，则这种偏振光称为平面偏振光，因其电矢量 的末端轨迹在传播过程中为一直线，故又称线偏振光。如果光波电矢量随时间作有规则地 改变，即电矢量末端轨迹在垂直于传播方向的平面上呈圆形或椭圆形，则称为圆偏振光或椭圆偏振光。如果光波电矢量的振动在传播过程中只

9、是在某一确定的方向上占有相对优 势，这种偏振光就称为部分偏振光。、平面偏振光的产生和特性。我们的先人在很早就已经对水平面的反射光有所研究，人们发现反射光中的垂直于入 射面的光振动多于平行于入射面的光振动；而透射光则正好相反。在改变入射角的时候， 出现了一个特殊的现象，即入射角为一特定值时，反射光成为完全线偏振光，折射光为部 分偏振光，而且此时的反射光线和折射光线垂直，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。该方法是可以获得线偏振光的方法之一；不过反射光由于 强度较小，通常不被利用；透射光的光强较大，但又不是完全线偏振光，实际采用的是利 用玻璃堆的方法就成功的解决了该问题

10、，多次的透射基本上可以滤掉竖直分量，最后只剩 下了平行分量。由于 io + r = n /2ni sin io = n2 sin r，贝Usitucosyio就唯一地被确定线偏振光若ni为空气，则tg io = n2，这样，当介质折射率一定时,这里采用自准法测定起偏角，通过分光计的望远镜观察平面偏振光，最小偏向角就是待测的起偏角,自准法: 用自准法测起偏角，当望远镜已调焦无穷远，则望远镜自身产生平行光，用小灯照亮目镜中的双十字叉丝，固定平台，旋转望远镜正对偏振片，使从偏振片反射回来的十字像位于I上叉丝中央，记录两游标的读数和:1。转到望远镜直到十字像又位于上叉丝中央时为止，记录此时的读数 2和

11、2。两次读数之差即为望远镜转过的角度 ，即（2 - 1） （2 - 1）二= 2先用眼睛直接观察平行光经过偏振片的出射方向，再将该望远镜转至该出射方向，使 在望远镜中清楚地看见由钠灯发出的光经偏振片后的线偏振光，然后缓慢地转动载物平 台，使在望远镜中看到的线偏振光的移动方向沿着偏向角减小的方向，继续缓慢地转动平 台，偏振光线不再随着减小，当载物平台转到某一位置，继续按原来方向转到平台时，偏 振光线不再随着移动，而是看到偏振光线开始向相反方向移动，即偏向角反而变大，偏振 光线移动方向的这个转折位置就是最小偏向角的位置。然后固定平台，转动望远镜,-1相应的两个游标读书1反复转到平台，准确确定偏振光

12、线移动方向的转折位置, 使双十字叉丝的竖直线对准偏振光线，记录与望远镜在该位置移去偏振片，再转动望远镜，使双十字叉丝竖直对准平行光管的狭缝像，记录与入射I光的方位- 2相应的两游标读数2和，2。与望远镜的两个位置相应的游标读数之差，即为该谱线的最小偏向角min。6min（2- 1） （ 2 一 1）在测量望远镜转过的角度时，要注意游标是否经过了刻度盘的零点，如果经过了，则必须在相应的读数上加上 360后再计算，例如在测量偏振角中，左游标为=48 25，2 =288 26，这时左游标经过了刻度盘的零点，计算时应在 冷上加上360。实验步骤：按照分光计的调节要求和方法，调节分光计。起偏，将纳黄光投

13、射到屏上，在激光束中插入一偏振片，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，并据此判断激光束的偏振情况；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.用自准法测量偏振片对应的起偏角（即最小偏向角），重复5次，求平均值和不确定 度。利用最小偏向角求出汞灯谱线的折射率。注意事项：1 偏振片、玻璃片等要轻拿轻放，防止打碎。2 所有的镜片、光学表面等应保持清洁、干燥，严禁用手或他物触碰，以免污损。原始数据:实验台号：6日期：2009年12月9日数据处理表格:、读 次、，数数、cp 十2%申2012

14、58 2730192 533078 263012 523002258 2945194 314578 281514 304503258 2700192 553078 260012 541504258 2930192 233078 283012 22155258 2830193 590078 271513 3730教师签名:偏振现象：旋转偏振片 360 ，出现两次最亮和两次最暗的现象，而且是交替出现的，当两块偏振片的 狭缝平行时，出现最亮，当两块偏振片的狭缝互相垂直时出现最暗。数据处理：由原始数据可知：最小偏向角伸2-久）+怦2-叫）2而起偏角=入射角入射角i=1=90( - 1)21)4所以(1

15、92 53,30,-258 27,30) +(12 =52,30,78 2630)=205980(-603600)同理可得i2二 208867.5i3二 206051.25i4二 205016.25i5= 207611.25起偏角的平均值为.=206705.25 =57 255i起偏角i的A类不确定度为1 n ：(205980-206705 .25)2 +(208867.5206705 .25 )2 +(206051 .25206705 .25)2 +(205016 .25 206705 .25)2 +(207611 .25 206705 .25)2 = 1525.007018 B类不确定度为 1 1 ua34.64101615起偏角的不确定度为 2S ；n -1 “(A- A) = ；5_1 y (Ai- A)U A = 1525.0070182 +34.64101615 1525.400408 =7.40 x 10 radUr土 100%1525.400408100% =0.74%206705.25最小偏向角为由布儒斯特公式tani -可知棱镜折射率为 n = tani = tan 57.66979167 =1.580；:ta ni.:i)2Ui2Uicos icos2 57.669791677.40 10J3二 0.026所以Ur0