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偏振光实验报告

偏振光实验陈述之杨若古兰创作

实验1.验证马吕斯定律

实验道理：

某些双折射晶体对于光振动垂直于光轴的线偏振光有强烈接收，而对于光振动平行于光轴的线偏振光接收很少（接收o光，通过e光），这类对线偏振光的强烈的选择接收性质，叫做二向色性.具有二向色性的晶体叫做偏振片.

A0cosθ

图2

偏振片可作为起偏器.天然光通过偏振片后，变成振动面平行于偏振片光轴（透振方向），强度为天然光一半的线偏振光.如图1、图2所示：

线偏光

单色天然光

线偏光

图1

图1中靠近光源的偏振片

为起偏器，设经过

后线偏振光振幅为

（图2所示），光强为I0.

与

夹角为

是以经

后的线偏振光振幅为

，光强为

此式为马吕斯定律.

实验数据及图形：

从图形中可以看出符合余弦定理，数据精确.

实验2.半波片，1/4波片感化

实验道理：

偏振光垂纵贯过波片当前，按其振动方向（或振动面）分解为平常光（o光）和非常光（e光）.它们具有不异的振动频率和固定的相位差（同波晶片的厚度成反比），若将它们投影到同一方向，就能满足相关条件，实现偏振光的干涉.

分振动面的干涉安装如图3所示，M和N是两个偏振片，C是波片，单色天然光通过M酿成线偏振光，线偏振光在波片C平分解为o光和e光，最初投影在N上，构成干涉.

图3分振动面干涉安装

波片

偏振片

单色天然光

考虑特殊情况，当M⊥N时，即两个偏振片的透振方向垂直时，出射光强为：

；当M∥N时，即两个偏振片的透振方向平行时，出射光强为：

.其中θ为波片光轴与M透振方向的夹角，δ为o光和e光的总相位差（同波晶片的厚度成反比）.改变θ、δ中的任何一个都可以改变屏幕上的光强.

当δ=（2k+1）π（1/2波片）时，cosδ=-1，

，出射光强最大，

，出射光强最小；当δ=[（2k+1）π]/2（1/4波片）时，cosδ=0，

特别地，利用1/4波片我们还可以得到圆偏振光和椭圆偏振光.当θ=45度时，得到圆偏振光，此时让偏振片N扭转一周，屏幕上光强不变.普通情况下，得到的是椭圆偏振光，让偏振片N扭转一周，屏幕上的光斑“两明两暗”.

实验结果：

半波片实验数据表：

1/4波片实验数据：

结论：

线偏振光通过1/4波片后可能酿成圆偏振光，椭圆偏振光也有可能仍是线偏振光.

实验3.旋光效应

实验道理：

线偏振光通过某些物资的溶液后，偏振光的振动面将扭转必定的角度，这类景象称为旋光景象.扭转的角度称为该物资的旋光度.通经常使用旋光仪来测量物资的旋光度.溶液的旋光度与溶液中所含旋光物资的旋光能力、溶液的性质、溶液浓度、样品管长度、温度及光的波长等有关.当其它条件均固定时，旋光度与溶液浓度C呈线性关系即

（5-1）

比例常数与物资旋光能力、溶剂性质、样品管长度、温度及光的波长等有关，C为溶液的浓度.物资的旋光能力用比旋光度即旋光率来度量，旋光率用下式暗示：

（5-2）

（5-2）式中，右上角的t暗示实验时温度（单位：

℃），是指旋光仪采取的单色光源的波长（单位：

nm），θ为测得的旋光度（0），l为样品管的长度（单位：

dm），C为溶液浓度（单位：

g/100mL）.

由（5-2）式可知：

偏振光的振动面是随着光在旋光物资中向前进行而逐步扭转的，因此振动面转过角度θ透过的长度l成反比.振动面转过的角度θ不但与透过的长度l成反比，而且还与溶液浓度C成反比[14].

如果已知待测溶液浓度C和液柱长度l，只需测出旋光度θ就可以计算出旋光率.如果已知液柱长度为l固定值，可顺次改变溶液的浓度C，就可以测得响应旋光度θ.并作旋光度与浓度的关系直线θ~C，从直线斜率、液桩长度l及溶液浓度C，可计算出该物资的旋光率；同样，也能够测量旋光性溶液的旋光度θ，确定溶液的浓度C.旋光性物资还有右旋和左旋之分.当面对光射来方向观察，如果振动面按顺时针方向扭转，则称右旋物资；如果振动面向逆时针方向扭转，称左旋物资.

测量葡萄糖水溶液的浓度

将曾经配置好的装有分歧的容积克浓度（单位：

g/100mL）的葡萄糖.水溶液的样品管放到样品架上，测出分歧浓度C下旋光度值.并同时记录测量环境温度和记录激光波长

葡萄糖水溶液的浓度配制成C0、C0/2、C0/4、C0/8，0（纯水，浓度为零），共5种试样，浓度C0取30%摆布为好.分别将不必浓度溶液注入不异长度的样品试管中.测量分歧浓度样品的旋光度（多次测量取平均）.用最小二乘法对旋光度、溶液浓度进行直线拟合（可以将C0作为1个单位考虑），计算出葡萄糖的旋光率.也能够以溶液浓度为横坐标，旋光度为纵坐标，绘出葡萄糖溶液的旋光直线，由此直线斜率代入公式（5-2），求得葡萄糖的旋光率

数据记录及处理

图形：

实验4.光弹效应

光弹性试验是利用光学方法研讨受力构件中应力分布情况的试验，在光测弹性仪上进行，先器具有双折射功能的透明材料制成和实际构件外形类似的模型，受力后，以偏振光透过模型，因为应力的存在，发生光的临时双折射景象，再透过分析镜后发生光的干涉，在屏幕上显示出具有明暗条纹的映象，根据它即可推算出构件内的应力分布情况，所以这类方法对外形复杂的构件尤其适用.

光弹性实验方法是一种光学的应力测量方法，因为测量是全域性的，所以具有直观性强，能无效而精确地确定受力模型各点的主应力差和主应力方向，并能计算出各点的主应力数值.特别对构件应力集中系数的确定，光弹性试验法显得特别方便和无效.工程实际中有很多构件，例如工业中的各种机器零件，它们的外形很不规则，载荷情况也很复杂，对这些构件的应力进行理论分析有时非常困难，常常须要实验的方法来解决，光弹性试验就是其中比较直观无效的一种解决方法.

实验道理

图1光弹性试验的光学效应示意图

如图1所示，天然光通过偏振器成为平面偏振光（在A1平面中），平面偏振光垂直地射在模型上某一O点，如果模型未受力，则光线通过后并没有改变，但如果O点有应力，这时候将出现临时双折射景象，如果图O点的二个主应力

和

方向已知，则平面偏振光通过受力模型O点后，分解成二个与

及

方向分歧的平面偏振光，二者之间发生一光程差δ，光程差与主应力差（

）及模型厚度t成反比，即：

式中k为光学常数，与模型材料及光的性质有关.分解了的二束光线通过分析器后从头在BB平面内振动，如许就发生光的于涉景象.我们晓得由分析器出来的光线强度

其中λ为光的波长，I为偏振器与模型间偏振光的强度，α为偏振平面A1与主应力

的夹角.由上式可见，光强I为零时有以下四种情况：

1I=0，这与实际情况不符，因为只要在无光源时I才会是零.

2δ=0，由公式

可知（

）=0，即

，符合这些条件的点称为各向同性点.如果

=0则称为零应力点，这类点在模型上皆为黑点（因为光强等于零），例如纯曲折梁上中性轴上各点

=0，故模型中性层处为一条黑线.

③sin（2α）=0，即α=n

/2（n=0,1,2,3……）这说明模型上某点主应力方向与偏振镜光轴重合，模型上也呈黑点，这类黑点构成的连续黑线称为等倾线，等倾线上各点的主应力方向都不异，而且偏振镜光轴的方向也就是主应力的方向.

④

，以公式

代人，则

，因而可得

图2圆偏振光场示意图

（n=0,1,2,3……）

上式标明，当模型中某点的主应力差值为f/t的整数倍时，则此点在模型上呈黑点，当主应力差为f/t的某同一整数倍的各个暗点，构成连续的黑线称为等差线（在此线上各点的主应力差均相等）.因为应力分布的连续性，等差线不但是连续的，而且它们之间还按必定的次序排列，对应于n=l的等差线称为一级等差线或称一级条纹，对应于n=2的等差线称为二级等差线或二级条纹，顺次类推，其中n称为条纹序数，以上是根据光源用单色光讲的.如果光源用白光，则模型上具有不异主应力差的各点则构成色彩不异的光带，所以这时候的等差线又称为等色线.由以上讨论可知，根据模型中出现的各向同性点、零应力点、等倾线、等差线（等色线），借助于一些分析计算，就能求出模型中各点应力的大小和方向.

从上述基来源根基理可知，在使用单色光源时，等倾线与等差线都呈黑色，不容易识别，为了清除等倾线以获得清晰的等差线图，在光弹性仪两偏振镜之间装上二块1／4波长片，构成圆偏振光场，可把等倾线清除，只剩劣等差线，圆偏振光场如图2所示.

图3-1对径受压圆盘等差线图图3-2对径受压圆盘等倾线图

观察对径受压圆盘的等差线和等倾线，分别如图3-1和3-2所示.

筹办实验：

光路调节

先将光源、起偏器、检偏器、白屏顺次放在导轨上，打开白光光源，细心调节各个器件的高度，使得全部光路高度比较合适.先确定起偏器为任意偏振方向，然后调节检偏器偏振方向，使其正交，即通过两个偏振片后的光强为最弱.然后调整两个偏振片的距离.观察实验1：

观察光弹材料光弹特性

将光弹材料放入曾经调整好偏振方向的两偏振片两头，调节光弹材料的高度为合适.观察此时白屏的图像.然后拧紧光弹材料固定架上端的螺母，给光弹材料施加应力，观察此时白屏的图像，留意等差线（等色线）和等倾线的出现.

本实验为验证性试验，没有试验数据.在观察过程中出理想验景象即可.

实验5.电光调制实验

【实验目的】

1、把握晶体电光调制的道理和实验方法；

2、学会用实验安装测量晶体的半波电压，绘制晶体特性曲线，计算电光晶体的消光比和透射率.

【仪器和安装】

电光调制实验零碎由光路与电路两大单元构成，如图1所示：

图1电光调制实验零碎结构

【实验道理】

某些晶体在外加电场的感化下，其折射率随外加电场的改变而发生变更的景象称为电光效应，利用这一效应可以对透过介质的光束进行幅度，相位或频率的调制，构成电光调制器.电光效应分为两品种型：

（1）一级电光（泡克尔斯一—Pockels）效应，介质折射率变更反比于电场强度.

（2）二级电光（克尔一Kerr）效应，介质折射率变更与电场强度的平方成反比.

本实验使用铌酸理（LiNbO3）晶体作电光介质，构成横向调制（外加电场与光传播方向垂直）的一级电光效应.

图3横向电光效应示意图

如图3所示，入射光方向平行于晶体光轴（Z轴方向），在平行于X轴的外加电场（E）感化下，晶体的主轴X轴和Y轴绕Z轴扭转45，构成新的主轴X’轴—Y’轴（Z轴不变），它们的感生折射率差为n，它反比于所施加的电场强度E：

式中r为与晶体结构及温度有关的参量，称为电光系数.

n0为晶体对平常光的折射率.

当一束线偏振光从长度为l、厚度为d的晶体中出射时，因为晶体折射率的差别而使光波经晶体后出射光的两振动分量会发生附加的相位差，它是外加电场E的函数：

式中为入射光波的波长；同时为测量方便起见，电场强度用晶体两面极间的电压来暗示，即U=Ed.

当相位差＝时，所加电压

U称为半波电压，它是一个用以表征电光调制电压对相位差影响的次要物理量.由

（2）式可见，半波电压U决定于入射光的波长、晶体材料和它的几何尺寸.由

（1）、

（2）式可得：

式中0为U＝0时的相位差值，它与晶体材料和切割的方式有关，对加工良好的纯净晶体而言0＝0.

图4为电光调制器的工作道理图.

由激光器发出的激光经起偏器P后只透射光波中平行其透振方向的振动分量，当该偏振光IP垂直于电光晶体的通光概况入射时，如将光束分解成两个线偏振光，经过晶体后其X分量与Y分量的相差为（U），然后光束再经检偏器A，发生光强为IA的出射光.当起偏器与检偏器的光轴正交（AP）时，根据偏振道理可求得输出光强为：

图4电光调制器工作道理

式中

，为P与X两光轴间的夹角.

若取＝土45.，这时候U对IA的调建造用最大，而且

再由（3）式可得

因而可画出输出光强IA与相位差（或外加电压U）的关系曲线，即IA~（U）或IA~U如下：

图5光强与相位差（或电压）间的关系

因而可知：

当（U）＝2k（或U＝2kU）（k=0，1,2，）时，IA=0

当（U）＝2k+1或U＝（2k+1）U时，IA=IP

当（U）为其它值时，IA在0~IP之间变更.

因为晶体受材料的缺陷和加工工艺的限制，光束通过晶体时还会受晶体的接收和散射，使两振动分量传播方向不完整重合，出射光截面也就不克不及堆叠起来.

因而，即使在两偏振片处于正交形态，且在

的条件下，

当外加电压U＝0时，透射光强却不为0，即IA=Imin0

U＝U时，透射光强却不为IP，即IA=ImaxIP

由此须要引入另外两个特征参量：

消光比

透射率

式中，Io为移去电光晶体后动弹检偏器A得到的输出光强最大值.

M愈大，T愈接近于1，暗示晶体的电光功能愈佳.半波电压U、消光比M，

透光率T是表征电光介质品质的三个特征参量.

从图5可见，相位差在＝/2或（U＝U/2）附近时，光强IA与相位差（或电压U）呈线性关系，故从调制的实际意义上来说，电光调制器的工作点通常就选在该处附近.图6为外加偏置直流电压与交变电旌旗灯号时光强调制的输出波形图.

由图6可见，选择工作点②（U＝U/2）时，输出波形最大且不失真.

选择工作点①（U＝0）或③（U＝U）时，输出波形小且严重失真，同时输出旌旗灯号的频率为调制频率的两倍.

图6选择分歧工作点时的输出波形

工作点的偏置可通过在光路中拔出一个／4波片其透光轴平行于电光晶体X轴（相当于附加一个固定相差＝/2）作为“光偏置”.但也能够加直流电压来实现.

实验数据及结论：

正向偏压：

反相偏压：

Matlab仿真图：

半波电压：

=528V.

实验小结：

实验的关键在于光路的准直，如果光路禁绝直，实验将没法完成.

实验6.液晶的电光效应

实验道理

液晶态是一种介于液体和晶体之间的两头态，既有液体的流动性、粘度、形变等机械性质，又有晶体的热、光、电、磁等物理性质.液晶与液体、晶体之间的区别是：

液体是各向同性的，分子取向无序；液晶分子有取向序，但无地位序；晶体则既有取向序又有地位序.就构成液晶方式而言，液晶可分为热致液晶和溶致液晶.热致液晶又可分为近晶相、向列相和胆甾相.其中向列相液晶是液晶显示器件的次要材料[13].

接着液晶对于晶电的光效应有如下认识：

液晶分子是在外形、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性特性的物资，如果对如许的物资施加电场（电流），随着液晶分子取向结构发生变更，它的光学特性也随之变更，这就是通常说的液晶的电光效应.

液晶的电光效应品种繁多，次要有动态散射型（DS）、扭曲向列相型（TN）、超扭曲向列相型（STN）、有源矩阵液晶显示（TFT）、电控双折射（ECB）等.其中利用较广的有：

TFT型───次要用于液晶电视、笔记本电脑等高档产品；STN型2───次要用于手机屏幕等中档产品；TN型───次要用于电子表、计算器、仪器仪表、家用电器等中低档产品，是目前利用最普遍的液晶显示器件.TN型液晶显示器件显示道理较简单，是STN、TFT等显示方式的基础.本仪器所使用的液晶样品即为TN型.无外电场感化时，因为可见光波久远小于向列相液晶的扭曲螺距，当线偏振光垂直入射时，若偏振方向与液晶盒上概况分子取向不异，则线偏振光将随液晶分子轴方向逐步扭转90o，平行于液晶盒下概况分子轴方向射出；若入射线偏振光偏振方向垂直于上概况分子轴方向，出射时，线偏振光方向亦垂直于下概况液晶分子轴；当以其他线偏振光方向入射时，则根据平行分量和垂直分量的相位差，以椭圆、圆或直线等某种偏振光方式射出.

对液晶盒施加电压，当达到某一数值时，液晶分子长轴开始沿电场方向倾斜，电压继续添加到另一数值时，除附着在液晶盒上下概况的液晶分子外，所有液晶分子长轴都按电场方向进行重排列，TN型液晶盒90o旋光性随之消逝.

[13]

若将液晶盒放在两片平行偏振片之间，其偏振方向与上概况液晶分子取向不异.不加电压时，入射光通过起偏器构成的线偏振光，经过液晶盒后偏振方向随液晶分子轴扭转900，不克不及通过检偏器；施加电压后，透过检偏器的光强与施加在液晶盒上电压大小的关系见图6-1；其中纵坐标为透光强度，横坐标为外加电压.最大透光强度的10%所对应的外加电压值称为阈值电压（Uth），标记了液晶电光效应有可观察反应的开始（或称起辉），阈值电压小，是电光效应好的一个次要目标.最大透光强度的90%对应的外加电压值称为饱和电压（Ur），标记了获得最大对比度所需的外加电压数值，Ur小则易获得良好的显示后果，且降低显示功耗，对显示寿命有益.对比度Dr=Imax/Imin，其中Imax为最大观察（接收）亮度（照度），Imin为最小亮度.陡度β=Ur/Uth即饱和电压与阈值电压之比.

图6-2液晶电光效应参考图[13]

TN型液晶显示器件结构参考图6-2，液晶盒上下玻璃片的外侧均贴有偏光片，其中上概况所附偏振片的偏振方向老是与上概况分子取向不异.天然光入射后，经过偏振片构成与上概况分子取向不异的线偏振先，入射液晶盒后，偏振方向随液晶分子长轴扭转900，以平行于下概况分子取向的线偏振光射出液晶盒.若下概况所附偏振片偏振方向与下概况分子取向垂直（即与上概况平行），则为黑底白字的常黑型，欠亨电时，光不克不及透过显示器（为黑态），通电时，900旋光性消逝，光可通过显示器（为白态）；若偏振片与下概况分子取向不异，则为白底黑字的常白型，如图6-2所示结构.TN-LCD可用于显示数字、简单字符及图案等，有选择的在各段电极上施加电压，就可以显示出分歧的图案.

实验仪器

μW）.

实验步调

在做实验之前须要将实验仪器放置在光学导轨上，光学导轨上顺次为：

氦氖激光器-偏振片-液晶盒-偏振片-光电探测器（带可调光阑）.打开氦氖激光器，调节各元件高度，尽量使激光顺次穿过个光学元件中间，最初打在光功率测试仪的探头上.

调整光路，打开光功率测试仪，扭转两片偏振片，可观察到光功率计数值大小变更，若最大透射光强小于200μW，可扭转氦氖激光器机身，使最大透射光强大于200μW最初调节偏振片正交至透射光强值达到最小.打开液晶盒的控制电箱，此时液晶是最黑形态.按一下“调节”按钮，此时液晶为透光形态，此时加在液晶上的电压为5.1V.此时开始记录光功率测试仪读数，然后逐次按“调节”按钮，每次添加的电压为0.2伏，液晶形态完成一个透光——最黑形态，共有16个档位.最初全黑时的电压为8.4伏.

作电光曲线图，纵坐标为透射光强值，横坐标为外加电压值.根据作好的电光曲线，求出样品的阈值电压Uth（最大透光强度的10%所对应的外加电压值）、饱和电压Ur（最大透光强度的90%对应的外加电压值）、对比度Dr（Dr=Imax/Imin）及陡度β（β=Ur/Uth）.

演示黑底白字的常黑型TN-LCD.拔掉液晶盒上的插头，光功率计显示为最小，即黑态；将电压调至8.4V摆布，连通液晶盒，光功率计显示最大数值，即白态.

数据记录及处理

下图为计算机模拟出实验数据得出的图形，图形基本符合请求，验证了液晶电光效应.因为在液晶面板的两端加入了两个偏振方向彼此垂直的偏振板.故而实验在电压较低的时候光强大，电压较高的时候光强小.

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