偏振光的研究应用课题实验Word文档格式.docx
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在某些偏振光总强度中，完全偏振光所占成分叫做偏振度。
偏振度数值愈接近1，光线偏振化限度就越高。
）
7.偏振光干涉
偏振光干涉现象是如何产生？
偏振光干涉有哪些实际应用？
实验规定
课题任务1~2项为必做实验内容，其她课题任务为选做内容，请同窗们依照学时内实验完毕状况及兴趣择一项或多项选做内容进行研究。
本实验是定性半定量实验，实验重在观测、分析、归纳、总结。
实验报告中请用简洁语言阐明原理、实验方案，画出必要实验装置光路示意图，记录观测现象并加以解释、分析总结。
课题任务
1.光偏振特性—验证马吕斯定律
运用既有仪器验证马吕斯定律，记录角度变化与相应功率值（测量范畴0°
—360°
，每10°
间隔测量），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，对成果加以分析和评价。
注意：
由于半导体激光具备偏振性，转动起偏器，观测其后接受白屏，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，尽量使光束所有进入探头，并锁紧所有螺钉。
2.光偏振特性—反射光偏振特性
通过观测棱镜材料表面反射光偏振特性，加深对其理解，测量出布儒斯特角，并拟定偏振片偏振方向，计算棱镜材料折射率。
采用半导体激光器、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、便于观测，注意调节各光学器件等高同轴。
运用起偏器和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，调节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，记下此时转动平台位置值。
再次转动平台，运用转接杆用白屏追踪反射光斑，同步转动检偏器，仔细观测反射光偏振态，测量光强变化状况，理解入射角与偏振态关系，找到反射光为线偏振光时位置，记下此时转动平台位置值，此时入射角为布儒斯特角。
3.物质旋光特性
将旋光晶体置于已消光起偏器与检偏器间，观测旋光现象，测出旋光率（对于晶
体而言，振动面旋转角度ψ与晶片厚度d成正比，即ψ=αd其中比例系数α称为该晶体旋光率，它与入射光波长关于）。
4.半导体激光器偏振特性
通过偏振片观测半导体激光器偏振特性，记录其功率最大值和最小值，以及所相应角度，求出半导体激光偏振度。
5.波片性质及应用
a．1/4波片作用：
将方向未知1/4波片光轴方向定位，并运用已定位1/4波片对偏振光进行综合观测与鉴别，加深对其性质及偏振光有关知识理解。
采用半导体激光器、偏振器、1/4波片，调节光学器件同轴等高。
将1/4波片置于已消光起偏器与检偏器间，转动1/4波片一周观测消光位置，拟定1/4波片光轴方向，变化1/4波片光轴方向与起偏器偏振方向之间夹角a（a分别取0°
，15°
，45°
……180°
），每取一种a值，检偏器转动一周，观测输出光光强变化并加以解释，如下表完毕所列任务。
表1偏振光综合观测与鉴别
a（°
检偏器转动一周，
输出光光强变化
结论
输出光强最暗时
检偏器方位
两明两零
线偏光
90°
、270°
15
45
65
90
115
135
165
180
b．1/2波片作用：
将方向未知半波片光轴方向定位，并运用已定位半波片对偏振光进行观测，加深对其性质理解。
实验室现已准备设备及器件
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．注意光路同轴等高调节。
本实验中为了兼顾后续实验对光源高度规定，开始调节时将光源高度尽量调高。
2．注意光学器件规范使用。
使用光学元件应轻拿轻放，切勿用手触碰光学表
面，使用完毕后应及时放回元件盒内相应位置。
3．使用激光光源时，切勿用眼睛直视激光！
学习参照指南
8.赵凯华《光学》（第一版），偏振，高等教诲出版社。
9.马文蔚《物理学》下册（第五版），光偏振性，高等教诲出版社。
10.陆果《基本物理学》下卷，光偏振，高等教诲出版社。
11.郁道银、谈恒英《工程光学》（第二版），光偏振和晶体光学基本，机械工业出版社。
附录1：
激光功率计使用阐明书
附录2：
光学实验调节及仪器使用注意事项
附录3：
历史背景
附录4：
理论知识
OPT-1A型激光功率批示计是一种数字显示光功率测量仪器，采用硅光电池作为光传感器，针对650nm波长激光进行了标定，用于测量该波段激光功率。
如图：
1.表头：
3位半数字表头，用于显示光强大小。
2.量程选取钮：
分为200uW、2mW、20mW、200mW四个标定量程和可调档；
测量时尽量采用适当量程，如测得光强为1.732mW，则采用2mW量程。
可调档显示是光强相对值。
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构造光阑（圆孔直径为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、6.0mm，缝宽0.2、0.3、0.4、0.8、1.2mm）。
可用于光斑定位，光强分布、光斑构造测量等，使用者依照实际测量需要，采用相应档位。
用法：
1.连接好激光探头和220v电源。
打开背面板上电源开关，数值表头亮。
2.将激光探头对准被测激光束，使光束进入测量孔。
3.依照光功率大小选取恰当量程。
量程刻度上值为该量程可测量最大值，如200μW是指该档最大测量200μW激光功率，单位为微瓦，当光功率不不大于该档最大批示值时，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，连接电位器可变化表头批示。
该档重要用于测量相对值，即测量两束光功率比值或光强分布等。
5.调零电位器用于调节仪器零点。
即在无光照时，应将仪器批示值调为“0”。
6.批示计背面板提供了一种半导体激光电源插座，可为相应半导体激光器提供电源。
1.注意光路同轴等高调节，保证整个光路光轴沿导轨中轴且高度相似。
a．调节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，观测激光斑射在孔屏上位置变化状况，通过调节激光器后相应旋钮，使激光斑能始终保持与小孔重叠。
b．调节所用光学元件光学面中轴高度相等，观测光束与否射到元件光学面中心，
对光学元件及夹具进行多维度调节；
c．调节光学元件共轴，根据光学原理，通过观测各光学元件反射或透射光点位
置，通过度析、判断逐渐加以调节。
2.注意光学器件规范使用。
a.使用光学元件应轻拿轻放，使用完毕后应及时放回元件盒内相应位置。
b.使用光学元件时，切勿用手触碰光学表面。
当光学表面不够清洁等而影响实验进
行时，同窗牢记不要自行解决，请及时报告教师，由教师或在教师指引下规范进行清洁工作，避免操作不当导致元件人为损坏。
c.使用激光光源时，切勿用眼睛直视激光！
避免灼伤眼睛！
18，法国物理学家及军事工程师马吕斯（E．L．Malus）发现双折射两束光线相对强度和晶体位置关于，从而发现反射时光偏振现象，拟定了偏振光强度变化规律，建立马吕斯定律。
18，苏格兰物理学家布儒斯特（DavidBrewster）在研究光偏振现象时发现，当自然光在两种介质界面反射折射时，若反射光与折射光两方向成直角，反射光为线偏振光，反射角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）发现偏振光通过晶体时产生丰富彩色色偏振现象，并发现石英有使光偏振方向旋转能力，即物质旋光性。
18，布儒斯特发现玻璃变形会产生光双折射现象，成为光测弹性学开端。
18，英国医生和物理学家托马斯·
杨（T．Young）提出光横向振动假说。
18，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干涉，证明来自同一光源但偏振面互相垂直偏振光不能干涉，从而必定了光波横向振动理论，并证明了光偏振及所有已知光学现象，发展了惠更斯和托马斯·
杨波动理论，成为“物理光学缔造者”。
二十世纪60年代起，随着着激光、光纤诞生及发展，光偏振技术不但在测定机械构件应力分布、测定晶轴方位、测定糖溶液浓度方面得到应用，在光电子工程、光波导技术、光信息工程等技术领域应用更加广泛，应用范畴已涉及与光学技术关于几乎所有学科领域。
光偏振
1光横波性
18马吕斯在实验上就发现了光偏振现象。
但直到光电磁理论建立后，光横波性才得以完满阐明。
在自由空间传播光波是一种纯粹横波，光波中沿横向振动着物理量是电场矢量和磁场矢量，鉴于在光和物质互相作用过程中重要是光波中电矢量起作用，因此人们常以电矢量作为光波中振动矢量代表。
2偏振光
光横波性只表白电矢量与光传播方向垂直，在与传播方向垂直二维空间里电矢量还也许各式各样振动状态，咱们称之为光偏振态。
实际中最常用光偏振态大体可分为五种，即自然光、某些偏振光、线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。
2.1自然光
普通光源发出光是大量原子或分子独立随机自发辐射平均效果，各原子或分子发出光波不但初位相彼此无关联，它们振动方向也是杂乱无章。
因而宏观看起来，入射光中包括了所有方向横振动，而平均说来它们对于光传播方向形成轴对称分布，哪个横方向也不比其他横方向更为突出。
具备这种特点光叫做自然光。
2.2某些偏振光
经常遇到光，除了自然光和线偏振光外，一种偏振状态介于两者之间光。
如果用检偏器去检查这种光时候，随着检偏器透光方向转动，透射光强度既不象自然光那样不变，又不象线偏振光那样每转90o交替浮现强度极大和消光，其强度每转90o也交替浮现极大和极小，但强度极小不是0（即不消光）。
具备这种特点光，叫做某些偏振光。
通惯用偏振度P来衡量某些偏振光限度大小，它定义为
P=（I极大-I极小）/（I极大+I极小）
这里分母I极大+I极小实际是两个互相垂直分量强度之和，即某些偏振光。
线偏振光是偏振度最大光。
2.3线偏振光
透过偏振片光线中只剩余了与其透光方向平行振动。
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构成平面，叫做偏振面。
偏振片用来产生线偏振光，咱们叫它起偏器。
偏振片用来检查线偏振光，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角变化规律，叫做马吕斯定律。
2.4圆偏振光
如果一束光电矢量在波面内运动特点是其瞬时值大小不变，方向以角速度ω（即波圆频率）匀速旋转，换句话说，电矢量端点描绘轨道为一圆，这种光叫做圆偏振光。
垂直振动合成理论告诉咱们，两个互相垂直简谐振动，当它们振幅相等，位相差±
π/2时，其合成运动是一种旋转矢量，因此圆偏振光可当作是两个互相垂直线偏振光合成，而分量应写成
Ex=Acosωt
Ey=Acos（ωt±
π/2）
如果迎着圆偏振光传播方向放一偏振片，并旋转其透光方向以观测透射光强变化，咱们会发现光强不发生变化。
2.5椭圆偏振光
电矢量端点在波面内描绘轨迹为一椭圆光，称为椭圆偏振光。
椭圆运动也可当作是两个互相垂直简谐振动合成，只是它们振幅不等，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
如果迎着椭圆偏振光传播方向放一偏振片，并旋转其透光方向以观测透射光强变化，咱们会发现其光强变化特点类似某些偏振光，即强度每转90o也交替浮现极大和极小，但无消光位置。
3反射、折射光偏振特性
自然光入射到折射率两种介质界面上时，反射光和折射光都是某些偏振光。
特别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。
因而，可以运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，可以运用平行玻璃片堆同步获得反射和透射线偏振光。
入射光在空气与介质界面反射、折射光路图示如下：
依照麦克斯韦电磁理论和边值条件，咱们可以推导如下关系：
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反射光电矢量，EP为偏振面平行于入射面入射光电矢量，
E’S为偏振面垂直于入射面反射光电矢量，ES为偏振面垂直于入射面入射光电矢量。
分析上式咱们发现，由于tan90o=∞，E’P也许为0，即在I1+I2=90o时，反射光中也许不含平行分量，不论入射光是什么状态，反射光都是线偏振光。
由折射定律：
sinI1=nsinI2和I1+I2=90o
得到tanI1=n时，反射光是线偏振光。
这就是布儒斯特定律，此时入射角I1咱们称为布儒斯特角，它大小由材料折射率决定。
4双折射及波片
具备双折射现象材料有这样一种光学特性：
及当一束光进入这种材料时也许会提成两束，这两束光传播方向、振动方向和速度将有所不同，一束符合咱们所懂得折射定律，如垂直入射时光束方向不变，但另一束却不符合这个规律。
咱们分别将这两束光称为O光和E光，相应折射率分别为no和ne。
在这种晶体中还存在一种特定方向，当光从这个方向上进入材料时不会提成两束，符合普通折射定律，这个特殊方向就是材料光轴方向。
波片是一种将具备双折射现象材料（如方解石晶体，石英晶体等）按一定技术规定加工而成光学元件。
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。
当前假设一束线偏振光以偏振方向同波片光轴成θ角状态垂直入射于波片。
这时会发生一种比较特殊双折射现象，即O光和E光传播方向相似，但传播速度不同，或者说o光和e光在波片中折射率不同，透过波片之后两者之间产生一定位相差。
波片产生位相差和光程差分别为
Δφ=2π（no−ne）d/λ，δ=（no−ne）d，
d为波片厚度，no、ne分别为波片对o光和e光折射率。
对于某一波长，选取不同厚度可得到不同波片：
δ=±
（2k+1）λ/2时，为λ/2波片，
（2k+1）λ/4时，为λ/4波片，
kλ（k≠0）时，为全波片。
5偏振光产生和检查
5.1偏振光获得
自然界大多数光源所发出是自然光。
为了从自然光得到各种偏振光，需要采用偏振器件。
偏振片、玻片堆和尼科耳棱镜等都可以用作起偏器，自然光通过这些起偏器后就变成了线偏振光。
偏振片惯用品二向色性晶体制成，这些晶体对不同方向电磁振动具备选取吸取性质，当光线射在晶体表面上时，振动电矢量与光轴平行时吸取得较少，光可以较多地通过；
电矢量与光轴垂直时被吸取得较多，光通过得很少。
普通偏振片是在拉伸了塞璐璐基片上蒸镀一层硫酸碘奎宁晶粒，基片应力可以使晶粒光轴定向排列起来，这样可得到面积很大偏振片。
为了得到椭圆偏振光，使自然光通过一种起偏器和一种波片即可。
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一定附加相位差δ。
射出波片之后，传播方向相似这两束光速度恢复到同样，它们在一起普通是合成椭圆偏振光。
只有当这两面束光之间相位差等于±
π/2，且振幅相似时，才有也许得到圆偏振光。
换言之，令一束线偏振光垂直通过一波片，普通咱们得到一束椭圆偏振光；
只有通过1/4波片，且波片光轴与入射光振动面成对45°
角时，咱们才干得到一束圆偏振光。
5.2偏振光检查
假定入射光有如下五种也许性，即自然光，某些偏光，线偏振光，圆偏振光和椭圆偏振光。
检查偏振光办法是:
第一步，运用一块偏振片或其他检偏器，在旋转一周时透过检偏器光强不变，则可以断定入射光是自然光或圆偏振光；
否则就是某些偏振光或椭圆偏振光。
第二步，为了鉴别自然光和圆偏振光。
可以令入射光依次通过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鉴别出来。
为了鉴别某些偏振光和椭圆偏振光，则必要设法让1/4波片光轴与椭圆主轴平行，只有这样才干使椭圆偏振光通过波片后变成为线偏振光而将它鉴别出来。
6偏振光干涉
6.1偏振光干涉现象
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，它们具备相似振动频率，以恒定相位差在同一方向上传播。
只要设法将它们振动方向引到同一方向上来，就能满足相干条件，从而实现偏振光干涉，与分波前干涉和分振幅干涉相比，它是分振动面干涉，波片是分振动面元件。
将波片置于两偏振片间，可以观测到如下各种干涉现象：
1.当波片厚度均匀，用单色光源时，转动任一元件，屏上光强会发生变化。
用白光源时屏上浮现彩色图样，并随元件转动颜色发生变化。
2.当波片不均匀，用单色光源时屏上浮现干涉图样；
用白色光源屏上浮现彩色图样。
3.当波片用透明塑料代替时，对塑料加应力后屏上会浮现随应力大小变化明暗或彩色干涉图样。
6.2光弹效应和电光效应
1.光弹效应
在内应力或外来机械应力作用下，可以使透明各向同性介质（例如玻璃和塑料等）变为各向异性，从而使光产生双折射，这种现象称为光弹效应。
在这种应力作用下透明介质中，（no-ne）与应力分布关于。
因而，如果这种透明介质做成片状，插在两偏振片之间，不同地点因（no-ne）不同会引起o光和e间不同相位差δ，屏幕上将呈现出反映这种差别干涉图样。
应力越集中地方，各向异性越强，干涉条纹越细密。
在白光照射下，则显示出彩色干涉图样。
2.电光效应
在外加电场作用下，也可以使用某些各向同性透明介质变为各向异性，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（J.Kerr,1824-1970）在1875年发现。
在外加强电场作用下，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，这种各向异性及时消失。
1893年，泡克耳斯（Pockels,1865-1913）对某些晶体在电场作用下产生线性电光效应，进行了广泛研究。
当前，人们常把这种电光效应称为泡克耳斯效应。
在具备这种效应晶体中，最典型是磷酸二氢钾（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，沿本来光轴方向产生附加双折射效应。
由于克尔盒中硝基苯液体有毒，且携带不便，对它纯度规定又很高，因而近年来克尔盒已逐渐为KDP晶体所代替。
特别是激光浮现，大大增进了电光晶体研制。
在近代光学技术中惯用电光晶体，除KDP晶体外，尚有砷化镓（GaAs）和铌酸锂（LiNbO3）晶体等等。
此外，砷化镓还是集成光学中重要材料。
集成光学是采用薄膜构造来传导、调制和偏转光波，以及进行光信息解决或产生光振荡。
7旋光现象
7.1晶体和溶液旋光性
在普通单轴晶体（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传播方向和波速都同样。
因而，如果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偏振片之间，则从偏振片I透出来线偏振光通过此晶片时偏振状态没有变化，在偏振片II之后依然消光。
但是，在用石英晶体代替方解石做上述实验时发现，要使偏振片II之后消光，必要将偏振片II透振方向向左或向右旋转一种角度ψ。
上述现象表白，线偏振光在通过这些物质后，它振动发生了旋转，这种现象称为旋光现象。
某些物质具备能使线偏振光振动面发生旋转性质，称为旋光性（opticalactivity）。
这些具备旋光性物质，称为旋光物质。
对于晶体而言，振动面旋转角度ψ与晶片厚度d成正比，即
ψ=αd
其中比例系数α称为该晶体旋光率（specificrotation），它与入射光波长关于。
对于溶液而言，ψ还与溶液浓度C成正比，即
ψ=αˊCd
其中比例系数αˊ称为该溶液比旋光率。
溶液旋光性在制糖、制药和化工等方面很有用，例如测定糖溶液浓度糖量计，就是依照糖溶液旋光性而设计一种仪器。
可以在一定温度和波长下事先测得比旋率αˊ，然后再测出未知浓度溶液使振动面偏转角度ψ，即可运用上拟定其浓度。
7.2磁致旋光
正如用应力和电场等人工办法可以产生双折射同样，用人工办法也可以产生旋光性，其中最重要是磁致旋光，常称为法拉第旋转，它是法拉第在1846年发现。
实验表白，对于给定磁性介质，光振动面转角ψ与样品长度l和外加磁场磁感应强度B成正比，即
ψ=VlB
比例系数V称为费尔德常量，普通它都很小。
运用这一特点可以制成光隔离器，即只容许光从一种方向通过，而不能从反方向通过光阀门。
这在激光多级放大装置中往往是必要，由于光学放大系统中有许多界面，它们都会把一某些光反射回去，这对前级装置会导致干扰和损害，装了光隔离器就可以避免这一点。
12.赵凯华《光学》（第一版），偏振，高等教诲出版社。
13.马文蔚《物理学》下册（第五版），光偏振性，高等教诲出版社。
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