实验报告-偏振光学实验

./实验报告姓名：*****班级：*****学号：*****实验成绩：同组姓名：****实验日期：*****指导教师：批阅日期：偏振光学实验[实验目的]1．观察光的偏振现象,验证马吕斯定律；2．了解1/2波片、1/4波片的作用；3．掌握椭圆偏振光、圆偏振光的产生与检测。[实验原理]1．光的偏振性光是一种电磁波,由于电磁波对物质的作用主要是电场,故在光学中把电场强度E称为光矢量。在垂直于光波传播方向的平面内,光矢量可能有不同的振动方向,通常把光矢量保持一定振动方向上的状态称为偏振态。如果光在传播过程中,若光矢量保持在固定平面上振动,这种振动状态称为平面振动态,此平面就称为振动面〔见图１。此时光矢量在垂直与传播方向平面上的投影为一条直线,故又称为线偏振态。若光矢量绕着传播方向旋转,其端点描绘的轨道为一个圆,这种偏振态称为圆偏振态。如光矢量端点旋转的轨迹为一椭圆,就成为椭圆偏振态〔见图2。2．偏振片虽然普通光源发出自然光,但在自然界中存在着各种偏振光,目前广泛使用的偏振光的器件是人造偏振片,它利用二向色性获得偏振光〔有些各向同性介质,在某种作用下会呈现各向异性,能强烈吸收入射光矢量在某方向上的分量,而通过其垂直分量,从而使入射的自然光变为偏振光,介质的这种性质称为二向色性。。偏振器件即可以用来使自然光变为平面偏振光——起偏,也可以用来鉴别线偏振光、自然光和部分偏振光——检偏。用作起偏的偏振片叫做起偏器,用作检偏的偏振器件叫做检偏器。实际上,起偏器和检偏器是通用的。3．马吕斯定律设两偏振片的透振方向之间的夹角为α,透过起偏器的线偏振光振幅为A0,则透过检偏器的线偏振光的强度为I式中I0为进入检偏器前〔偏振片无吸收时线偏振光的强度。4．椭圆偏振光、圆偏振光的产生；1/2波片和1/4波片的作用当线偏振光垂直射入一块表面平行于光轴的晶片时,若其振动面与晶片的光轴成α角,该线偏振光将分为e光、o光两部分,它们的传播方向一致,但振动方向平行于光轴的e光与振动方向垂直于光轴的o光在晶体中传播速度不同,因而产生的光程差为位相差为式中ne为e光的主折射率,no为o光的主折射率〔正晶体中,δ＞0,在负晶体中δ＜0。d为晶体的厚度,如图4所示。当光刚刚穿过晶体时,此两光的振动可分别表示如下：式中轨迹方程原理图全波片1/2波片1/4波片[实验数据记录、实验结果计算]说明：以下的所有测量数据中,电流的单位为,角度的单位为角度。验证马吕斯定律角度0612182430364210.9890740.9567730.9045090.8345660.750.6545090.552265电流0.2090.2060.2010.1900.1750.1570.1370.115角度48546066727884900.4477360.3454920.2500010.1654350.0954920.0432280.0109260电流0.0940.0710.0520.0340.0180.0070.0000.000角度961021081141201261321380.0109260.0432270.0954910.1654330.2499980.345490.4477340.552262电流0.0000.0070.0180.0330.0490.0690.0920.113角度1441501561621681741800.6545060.7499980.8345640.9045070.9567720.9890731电流0.1370.1560.1760.1910.2020.2090.209作的函数图像：Origin的数据分析：LinearRegressionthroughoriginforDATA2_B:Y=B*XParameter Value ErrorA 0 --B 0.20928 4.62343E-4R SD N P0.99991 0.00162 31 <0.0001从以上的分析可知,电流大小I关于两偏振片的夹角余弦的平方的数据点的直线拟合的相关系数r=0.99191,可知实际测得的数据点与理论值匹配。线偏振光通过1/2波片时的现象和1/2波片的作用1/2波片转过角度初始102030405060708090检偏器A转过角度018385880100120140检偏器的角度差18202022202020说明：最后两个数据没测,是因为在做的时候一时疏忽了,最后想要补做时,时间已晚,老师建议我们不做了。检偏器的平均角度差度由上面的数据可以明显地看出,1/2波片每转10度,检偏器就需要转20度,与理论值吻合。观察：检偏片固定,将1/2波片转过360°,能观察到4次消光；1/2波片固定,将检偏片转过360°,能观察2次消光。由此分析线偏振光通过1/2波片后,光的偏振状态是：光的偏振面偏离原来的角度是波片光轴偏离角度的2倍。用1/4波片产生圆偏振光和椭圆偏振光波片转20度角度010203040506070电流0.0320.0220.0160.0180.0270.0410.0590.078角度8090100110120130140150电流0.0970.1140.1260.1320.1300.1220.1080.090角度160170180190200210220230电流0.0700.0510.0340.0230.0170.0200.0290.044角度240250260270280290300310电流0.0650.0850.1050.1230.1340.1380.1360.125角度320330340350360电流0.1100.0900.0690.0500.032作角度与电流的极坐标函数图：I~在此基础上作振幅与角度的函数图：A~分析：可以看出,该极坐标函数图象成"双椭圆饼"形,在检偏器所转的0~360度之间,共达到两次消光,两次最大值,这正是椭圆偏振光的长轴和短轴的位置。实验数据图中可以看出,图像少有倾斜,在20度和200度左右达到真正消光,这是因为初始角度原因。波片转45度角度010203040506070电流0.0810.0810.0800.0790.0780.0760.0740.071角度8090100110120130140150电流0.0700.0690.0700.0690.0700.0720.0730.075角度160170180190200210220230电流0.0780.0800.0820.0840.0840.0830.0820.080角度240250260270280290300310电流0.0780.0760.0740.0730.0720.0720.0720.073角度320330340350360电流0.0740.0760.0770.0790.081作角度与电流的极坐标函数图：I~在此基础上作振幅与角度的函数图：A~分析：从图像中可以看出,函数形状成近乎圆的椭圆,理论上应该是圆,还是非常接近理论值。数据在110度和290度左右但到最小值,在20度和200左右达到最大值,这正是椭圆偏振光的长轴和短轴的位置。误差会在后面误差分析部分讨论。[对实验结果中的现象或问题进行分析、讨论]在做验证马吕斯定律的实验时,由于第一遍测量时出错,导致实验的重做,所以在预习报告上有大量修改的痕迹。但是,最后得到的结果非常准确,拟合度极高,也使得多花去的时间很值得。在这里我想重点讨论以下这个实验的一个误差。上面的种种实验皆反映了在消光点的角度误差,而且这个误差不小。误差现象为：在消光点附近的10度左右的范围内,电流计的示数皆为0,所以无法准确地找出消光点的角度。所以实验作出的函数图都有一定的倾斜。在这里提出自己认为可以在一定程度上消除这个误差的方法：缓缓旋转检偏器,记下电流值为0的区间,取这个区间的中点为消光点。误差来源还有旋转的转向误差,这是由于齿轮之间的间隙引起的。误差避免方法：只朝同一方向旋转。手电筒一类的误差：用手电在照波片或检偏器上的刻度时,会导致进入检测器的光强增大,导致电流值增大；手在旋转波片或检偏器时容易将入射光挡住,导致进入检测器的光强减小。误差避免方法：每次测量电流时,使手和手电远离测量装置。上面的A~图中的A不是实际的A值,而是A的一个固定的倍数,改图的作用仅仅是反映偏振光的振幅随着检偏器的角度的相对变化。[附页]思考题1．求下列情况下理想起偏器和理想检偏器两个光轴之间的夹角为多少？〔1透射光是入射自然光强的1/3。〔2透射光是最大透射光强度的1/3。答：〔1因为自然光通过偏振片后,光强减为原来的一半,所以得,。〔2直接有马吕斯定律：得。2．如果在互相正交的偏振片P1和P2中间插进一块1/4波片,使其光轴跟起偏器P1的光轴平行,那么透过检偏器P2的光斑是亮的？还是暗的？为什么？将P2转动90°后,光斑的亮暗是否变化？为什么？答：因为波片光轴和起偏器平行,检偏器由与之正交,所以光斑是暗的。将其转过90度后,两者平行,所以光斑是明亮的。在第2题中用1/2波片代替1/4波片,情况如何