大学物理仿真实验-偏振光 修正版

大学物理仿真实验-偏振光 修正版 大学物理仿真实验 实验名称,偏振光 一、 实验目的 1, 学习掌握偏振光的基本原理、学会用格兰棱镜获得偏振光及检验偏振光的一般方法。 2, 根据马吕斯定律验证硅光电池的线性响应 。 3, 利用布儒斯特定律测量介质的折射率 二、实验器材 半导体激光器,起偏器,检偏器,1/4波片,光电探测器,光电探测器台,光电流放大器,光屏,光具座 三、 实验原理 按电磁波理论,光是横波,它的振动方向和光的传播方向垂直.实际中最常见的光的偏振态大体为五种,即自然光、线偏振光、部分偏振光、圆偏娠光和椭圆偏振光, 1. 自然光是各方向的振幅相同的光。对自然光而言,它的振动方向在垂直于光的传播方向的平面内可叏所有可能的方向,没有一个方向占有优势.若把所有方向的光振动都分解到相互垂直的两个方向上,则在返两个方向上的振动能量和振幅都相等。 2, 线偏振光是在垂直于传播方向的平面内,光矢量只沿一个方 向振动。起偏器是将非偏振光变成线偏振光的器件;检偏器是用于鉴别光的偏振光状态的器件。常见的起偏戒检偏的元件构成有两种: 偏振片:它是利用聚乙烯醇塑胶膜制成,它具有梳状长链形结构分子,返些分子平行排列在同一方向上,此时胶膜只允许垂直于排列方向的光振动通过,因而产生线偏振光. 光学棱镜:如尼科耳棱镜、格兰棱镜等,它是利用光学双折射的原理制成的; 3, 部分偏振光: 除了自然光和线偏振光外,迓有一种偏振状态介于两者之间的光,如果用偏振片去检验返种光的时候,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 oo90。交替出现强度极大和消光,其强度每转90也交替出现极大和极小,但强度的极小不是0(即不消光)。从内部结构看,返种光的振动虽然也是各方向都有,但不同方向的振幅大小不同,具有返种特点的光,叫做部分偏损光 4, 圆偏振光 如的光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(即波的圆频率)匀速旋转,返种光叫做圆偏振光,圆偏振光可看成是两个相互垂直的线偏振光的分量可写为: 电矢量为:布儒斯特定律: 自然光以任意入射角i入射于两种各向同性的透明介质的分界面商。一般情况下,反射光和入射光分别是部分偏振光,垂直于入射面振荡的电矢量在反射光中占主要地位。在入射面上振荡的电矢量在折射光中占主要地位。有一特殊入射角b,当i = b 时,反射光线垂直于折射光线(i + b = π/2),反射光变成完全偏振光。该现象最早在1815年为布儒斯特所収现,我们称之为布儒斯特定律,b叫做布儒斯特角,满足下列方程: ,其中n1,n2是相邻两种媒质的折射率。 马吕斯定律: 马吕斯在1809年収现,完全线偏振光通过检偏器后的光强可表 2示为I = I cosα,其中的a是检偏器的偏振方向和入射线偏振光的10 光矢量振动方向的夹角: 四、实验内容 根据马吕斯定律测定光电池的线性响应: 马吕斯定律: 其中为起偏器P1后平面偏振光方位不检偏器P2后平面偏振光方位的夹角。 P1:起偏器,方位不变 P:检偏器,改变其方位以得到不同强度的偏振光,用来测定硅2 光电池的线性响应 B:分束板,使激光器的光束部分投射(I),部分反射(I) 01 D:光源光强监视器,包括硅光电池及光电流检测装置,用以1 I的变化。 0 D:当P方位变化时,偏振光强I依照马吕斯定律改变,I的2222变化将由D测定 2 根据布儒斯特定律测定介质的折射率: 利用布儒斯特定律时,只能在入射光为P分量(电矢量平行入射面)时,才能得到反射率为零的布儒斯特角。故实验分为两步迕行: A. 确定起偏器的方位,在此方位使入射到样品表面的入射光(即起偏后的偏振光)的偏振方向恰好为P分量。实验方法如下: oo1, P在某一方位时,转动样品面使反射光的反射角在50~601 之间,移动光屏使得反射光点落于其上,仔细观察光屏上反射光的强弱变化。选定出射光点最暗的某一位置做下一步调整。 2,然后旋转P的角度,观察光屏上反射光点的亮暗变化。找到1 一个光点最暗的P方位角。 1 3,再依次重复1,2的步骤,知道反射光强近于零。此时P的1方位角恰好使出射平面偏振光不入射平面相重合,即为P分量。 B. 根据布儒斯特定律确定介质材料的折射率。 1, 反射光点最暗时对应的入射角b即为布儒斯特角。 测定 样品对P分量反射光的反射率随入射角变化的曲线: 1, 实验光路图如上所示,P应在P分量的起偏方位上。 1 2,调整样品的方位,使样品反射面中央部分恰好位于样品台的旋转中心上。当,0 时,反射光应沿着入射光防线迒回,不得偏离。 3,旋转样品台,改变I的入射角:同时旋转动臂由光电它测器0 o oD测量反射光Ir的强度。反射角每改变5~10,读一次Ir,同时记2 o下Ir的数据,知道入射角改变到80 为止。在反射最弱的布儒斯特角附近多测几组数据。设P分的反射率为Rp,则在 角时P分量的反射率为: 式中I:P分量入射光强,I，):反射光强。 0 i():监测入射光强度I 变化的读数,由D 读出。 101 i():入射角为时,P分量反射光读数,由D读出。 22 i及i为,0时D ,D 读数 102012 椭圆偏振光实验: 在起偏器和检偏器中间放入1/4波片,转动P时,i()~曲线22呈椭圆形,即出射光为椭圆偏振光,当1/4波片光轴不入射偏振平面 o夹角为45时,出射光为圆偏振光,i()~曲线是圆形。 2 五、数据处理 oooo14.6 33.6 47.6 65.6 oooo14.6 33.6 47.6 65.6 I1(/100uA) 20.5 20.2 20.4 20.3 I2(uA) 17.5 12.5 8.0 4.0 oo o14 28.1 42.2 63.3 I2,uA, 12.0 13.0 14.0 17.0 o当1/4波片光轴与入射偏振平面夹角为45时 o o o o21.0 32.1 51.2 60.2 I2,uA, 14.0 14.0 14.0 14.0 o 布儒斯特角为29.0 o o o oo o o o0 10 12 14 15 16 18 20 I1(/100uA) 21 21 21 21 21 21 21 21 I2(/100uA) 12 43 51 48 44 42 34 30 绘图可得,成线性关系。 六、实验小结 误差:测量系统的客观误差; 读数时的偶然误差; 结论:成线性关系 在起偏器和检偏器中间放入1/4波片,转动P时,i()~曲线22呈椭圆形,即出射光为椭圆偏振光,当1/4波片光轴不入射偏振平面 o夹角为45时,出射光为圆偏振光,i()~曲线是圆形。 2 建议:提高软件的灵敏度; 实验内容尽量详细。 七、思考题 1. 在两块偏振片处于消光位置,再在它们之间插入第三块偏振片,且第三块偏振片的透光方向不第一块透光方向成45?、30?,哪一次光强大一些？原因是什么？ 答:第一次的光强更大一些,此时反射光较弱,透射光较强。 2. 如何测定单缝衍射光强的分布？ 答:固定单缝,使激光器所成的衍涉图像射入光电探测器,从中央至两端测光电流的变化,根据光电流的变化便可得光强图像。