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光偏振实验
实验一光偏振实验
光的偏振现象是波动光学中一种重要现象,对于光的偏振现象的研究,使人们对光的传播(反射、折射、吸收和散射等)的规律有了新的认识。
特别是近年来利用光的偏振性所开发出来的各种偏振光元件,偏振光仪器和偏振光技术在现代科学技术中发挥了极其重要的作用,在光调制器、光开关、光学计量,应力分析、光信息处理、光通信、激光和光电子学器件等方面都有着广泛的应用。
本实验将对光偏振的基本知识和性质进行观察、分析和研究。
【实验目的】
1、了解偏振光的种类。
着重了解和掌握线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光的产生及检验
方法
2、了解和掌握1/4波片的作用及应用。
3、了解和掌握1/2波片的作用及应用。
4、验证马吕斯定律
【实验原理】
1、偏振光的种类
光是电磁波,它的电矢量E和磁矢量H相互垂直,且又垂直于光的传播方向,通常用电
矢量代表光矢量,并将光矢量和光的传播方向所构成的平面称为光的振动面,按光矢量的不
同振动状态,可以把光分为五种偏振态:
如矢量沿着一个固定方向振动,称线偏振光或平面
偏振光;如在垂直于传播方向内,光矢量的方向是任意的,且各个方向的振幅相等,则称为自然光;如果有的方向光矢量振幅较大,有的方向振幅较小,则称为部分偏振光;如果光矢
量的大小和方向随时间作周期性变化,且光矢量的末端在垂直于光传播方向的平面内的轨迹
是圆或椭圆,则分别称为圆偏振光或椭圆偏振光。
2、线偏振光的产生
1)反射和折射产生偏振
根据布儒斯特定律,当自然光以ib=arctann的入射角从空气或真空入射至折射率为n
的介质表面上时,其反射光为完全的线偏振光,振动面垂直于入射面;而透射光为部分偏振
光。
ib称为布儒斯特角。
如果自然光以ib入射到一叠平行玻璃片堆上,则经过多次反射和折
射,最后从玻璃片堆透射出来的光也接近于线偏振光。
2)偏振片
它是利用某些有机化合物晶体的“二向色性”制成的,当自然光通过这种偏振片后,光
矢量垂直于偏振片透振方向的分量几乎完全被吸收,光矢量平行于透振方向的分量几乎完全
通过,因此透射光基本上为线偏振光。
3、波晶片
波晶片简称波片,它通常是一块光轴平行于表面的单轴晶片。
一束平面偏振光垂直入射到波晶片后,便分解为振动方向与光轴方向平行的e光和与光轴方向垂直的o光两部分(如
图2所示)。
这两种光在晶体内的传播方向虽然一致,但它们在晶体内传播的速度却不相同。
2jt
于是e光和o光通过波晶片后就产生固定的相位差3,即(ne-n0)l,式中入为入射
Z
光的波长,丨为晶片的厚度,ne和no分别为e光和o光的主折射率。
对于某种单色光,能产生相位差3=(2k+1)n12的波晶片,称为此单色光的1/4波片;
能产生3=(2k+1)n的晶片,称为1/2波片;能产生3=2kn的波晶片,称为全波片。
通常波片用云母片剥离成适当厚度或用石英晶体研磨成薄片。
由于石英晶体是正晶体,其o光比e
光的速度快,沿光轴方向振动的光(e光)传播速度慢,故光轴称为慢轴,与之垂直的方向
称为快轴。
对于负晶体制成的波片,光轴就是快轴。
图2波晶片
4、平面偏振光通过各种波片后偏振态的改变
由图2可知一束振动方向与光轴成B角的平面偏振光垂直入射到波片后,会产生振动方
向相互垂直的e光和o光,其E矢量大小分别为&=EcosB,Eo=Esin0通过波片后,二者产生一附加相位差。
离开波片时合成波的偏振性质,决定于相位差3和0。
如果入射偏振光的
振动方向与波片的光轴夹角为0或n/2,则任何波片对它都不起作用,即从波片出射的光仍
为原来的线偏振光。
而如果不为0或n/2,线偏振光通过1/2波片后,出来的也仍为线偏振光,但它振动方向将旋转20,即出射光和入射光的电矢量对称于光轴;线偏振光通过1/4
波片后,则可能产生线偏振光、圆偏振光和长轴与光轴垂直或平行的椭圆偏振光,这取决于
入射线偏振光振动方向与光轴夹角0。
5、偏振光的鉴别
鉴别入射光的偏振态须借助于检偏器和1/4波片。
使入射光通过检偏器后,检测其透射
光强并转动检偏器;若出现透射光强为零(称“消光”)现象,则入射光必为线偏振光;若透射光的强度没有变化,则可能为自然光或圆偏振光(或两者的混合);若转动检偏器,透
射光强虽有变化但不出现消光现象,则入射光可能是椭圆偏振光或部分偏振光。
要进一步作
出鉴别,则需在入射光与检偏器之间插入一块1/4波片。
若入射光是圆偏振光,则通过1/4
波片后将变成线偏振光,当1/4波片的慢轴(或快轴)与被检测的椭圆偏振光的长轴或短轴平行时,透射光也为线偏振光,于是转动检偏器也会出现消光现象;否则,就是部分偏振光。
6、马吕斯定律
按照马吕斯定律,强度为Im的线偏振光通过检偏器后,透射光的强度为:
I=I。
COS2,式中,为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角,I。
为检偏器光轴
与起偏器光轴平行时出射光强,I。
:
:
:
lm(偏振片有吸收,反射);显然,当以光线传播方
向为轴转动检偏器时,透射光强度I将发生周期性变化。
当$=0°时,透射光强度最大;
当0=90°时,透射光强为最小值(消光状态),接近于全暗;当0°<$<90°时,透射
强度I介于最大值和最小值之间。
因此,根据透射光强度变化的情况,可以区别线偏振光、自然光和部分偏振光。
图3表示自然光通过起偏器和检偏器的变化。
检偏器
图3自然光通过起偏器和检偏器的变化
【实验仪器】
半导体激光器(它发出的波长为650nm,激光器配有3V专用直流电源)、两个固定在转盘上直径为2cm的偏振片(注意:
转盘上的0读数位置不一定是偏振轴所指方向)、两个固定在转盘上直径为2cm的1/4波片(注意:
转盘上的0读数位置不一定是1/4波片的快轴或慢轴位置)、带光电接收器的数字式光功率计(量程有2mV和200JW二档)、光具座、遮
光罩、手电筒
【实验内容】
实验采用波长为650nm的半导体激光器,它发出的是部分偏振光,为了得到线偏振光,
需要在它前面加块起偏器P。
为了使实验现象最明显,我们要使透过起偏器P的线偏振光光
强最强,即使偏振片的偏振轴与激光最强的线偏振分量一致。
将各偏振元件按图4放好,暂
时先不放波片C和检偏器A。
先使P的偏振轴与激光最强的线偏振分量方向一致,这时光功率计读数最大,透过起偏器P的线偏振光功率最大。
先使A的偏振轴与激光的电矢量垂直,因此出现消光现象,记下偏振片A消光时的位置读数A(0)。
然后将1/4波片C放在A前面,旋转C,使再次出现消光现象,这时1/4波片的快轴与激光电矢量方向平行或垂直,记下1/4波片C消光时位置读数C(0)
1.1/4波片的作用:
旋转1/4波片C,以改变其快(或慢)轴与入射线偏振光电矢量(即偏振片P偏振轴
方向)之间夹角B。
当B分别为15°、30°、45°、60°、75°、90°时,将A逐渐旋转360°,观察光强的变化情况(通过光功率计观察),记下二次最大值和最小值,并注意最大和最小值之间偏振片A是否转过约90°,并由此说明1/4波片出射光的偏振情况。
图4验证1/4波片作用光路图
2•圆、椭圆偏振光的鉴别:
单用一块偏振片无法区别圆偏振光和自然光,也无法区分椭圆偏振光和部分偏振光,请
设计一个实验,要求用一块1/4波片产生圆偏振光或椭圆偏振光,再用另一块1/4波片将其
变成线偏振光。
(该线偏振光振动方向是否还和原来一致)记录下你的实验过程和实验结果,
通过这个实验,想一想:
是否可借助于1/4波片把圆偏振光和自然光分别开来,把椭圆偏振
光和部分偏振光分别开来,为什么?
3.1/2波片的作用(客户可以直接选配1/2波片完成此实验):
1)如图4所示的装置中,在A和C分别处于A(0)和C(0)位置时,在C和A之间再插
入一个1/4波片C,使C和C,组成一个1/2波片,请考虑如何实现这一要求?
2)在P和A之间放上由C和C,组成一个1/2波片,将此波片旋转360°,能看到几次
消光?
请加以解释。
3)将C和C,组成的1/2波片,任意转过一个角度,破坏消光现象,再将A旋转360°,
又能看到几次消光?
为什么?
4)改变由C和C,组成的1/2波片的快(或慢)轴与激光振动方向之间夹角0的数值,
使其分别为15°、30°、45°、60°、75°、90°。
旋转A到消光位置,记录相应的角度二',解释上面实验结果,并由此了解1/2波片的作用。
4、验证马吕斯定律
利用连续通过两个偏振器的偏振光,调出不同强度的光强,测量检偏器出射光强I与转角$
关系
(1)半导体激光器输出激光为部分偏振光,在其后面放起偏器,并用探测器测量经起偏
器出射的光强。
当检测至最大光强时,此时起偏器光轴与部分偏振光最强方向一致。
I0,应
(2)在起偏器与探测器间加检偏器,转动检偏器测量检偏器出射最大光强,记为
反复多测几次,求平均值|0和检偏器读数。
(为何必须反复多测几次求平均值?
)
以二0作为00角。
然后,每隔100或150,改变角度,测量由检偏器出射光强I,用lno二为自变量,InI为应变量,对InI—Incosr进行直线拟合,求得函数I二|0cosn■-中的n及相关系数r,以此证明马吕斯定律。
光路图如下:
图5验证马吕斯定律光路图
【实验数据】(注:
以下数据不作为仪器验收标准,仅供实验时参考)
1.1/4波片的作用
当A的偏振轴与P的偏振轴垂直时,偏振片A消光时的位置A(0)为65°,在A与P之
间插入1/4波片C,旋转C到再次出现消光,C的位置C(0)为136°旋转1/4波片C,改变其快(或慢)轴与入射的线偏振光电矢量之间夹角0,当B分别为15°、30°、45°、60°、
75°、90°时,将A旋转360°,观察光强的变化情况,发现出现二次极大和二次极小,二次极大或极小值基本相等,并且从极大到极小或从极小到极大,偏振片A都转过约90°,由此可
说明线偏振光通过1/4波片后,出射光可能为线偏振光,圆偏振光或椭圆偏振光,关键取决于0,观察结果如下表所示。
表11/4波片的作用
1/4波片转过
的角度0
A转动3600,现测到极大、极小值的光功率读数/4w
光的偏振性质
15°
6.3
105.5
6.6
109.7
椭圆偏振光
30°
24.7
90.7
23.8
90.4
椭圆偏振光
45°
53.6
70.1
51.3
68.5
近似圆偏振光
60°
29.6
89.3
28.8
88.5
椭圆偏振光
75°
7.7
107.4
7.3
106.1
椭圆偏振光
90°
0.1
115.6
0
118.6
线偏振光
2.圆偏振光与自然光、椭圆偏振光与部分偏振光的鉴别
单用一块偏振片无法区别圆偏振光和自然光,也无法区别椭圆偏振光和部分偏振光。
必
须再借助于一块1/4波片,才能达到目的,具体做法是:
按图2装置,先使A处于A(0)
位置,这时产生消光现象,然后将1/4波片C放在A前面,并从C(0)位置转过45°,再
转动A,光功率计变化很小,说明线偏振光通过该波片变成圆偏振光,然后再在C和A之间
加入另一块1/4波片C',再转动A,发现有消光现象,说明圆偏振光经1/4波片后变成线
偏振光,而自然光通过1/4波片仍为自然光,这样可以将二者区分。
当1/4波片C转过的角度不为0°、45°等一些特殊角度,线偏振光通过它出射的一
般是椭圆偏振光,如用偏振片A检查,可发现透射光强虽有变化,但不出现消光现象,再在
C和A之间加入另一块1/4波片C',使其快(或慢)轴与椭圆偏振光的长(或短)轴平行,则通过C'透射光也为线偏振光,用偏振片A检查,可发现有消光现象,而部分偏振光通过1/4波片后,仍为部分偏振光,这样也可以将二者区分。
3、1/2波片的作用(客户可以直接选配1/2波片完成此实验)
1)分别测得A,C和C'的零点位置为:
A(0)为65°、C(0)为136°、c'(0)为285°;
2)将C和C'组成一个1/2波片;
如图4所示的装置中,在A和C分别处于A(0)和C(0)位置时,在C和A之间,再插
'''o'
入一个1/4波片C,转动C,使再次出现消光现象,记下C(0)=285,这时C的快轴
与C的快轴可能平行,也可能垂直,然后将C和C同时转过15,如果仍然出现消光现象,
'o'
说明C和C快轴互相垂直,则只要将其中一块1/4波片转过90,贝Uc和C已组成一个1/
2波片。
如不再出现消光现象,说明C和C'已组成一个1/2波片,转动A到再次出现消光
现象,记录相应的角度扌为95°,可见线偏振光通过1/2波片后出射的仍为线偏振光,只是偏振方向转过30°即2二,使1/2波片的快(或慢)轴与线偏振光振动方向之间夹角二分
别为30°、45°、60°、75°、90°。
转A到消光位置,记录相应的角度J,可进一步验
证这一点。
表21/2波片的作用
1
日
0
线偏振光经1/2波片后震动方向转过角度
95°
15°
30°
125°
30°
60°
155°
45°
90°
185°
60°
120°
215°
75°
150°
245°
90°
180°
4、马吕斯定律的验证
I=10cosn
式中,I。
为检偏器光轴与偏振光电矢量同方向时,输出的最大光强。
I为检偏器光轴与偏振
光电矢量夹角为••时,输出的光强,n为待定常数
表3验证马吕斯定律结果
①°/0
為/0
①/°
1/uW
COS^
346.0
346.0
0
57.2
1.000
356.0
10.0
55.1
0.985
6.0
20.0
50.8
0.940
16.0
30.0
43.3
0.866
26.0
40.0
33.8
0.766
36.0
50.0
23.5
0.643
46.0
60.0
14.3
0.500
56.0
70.0
6.9
0.342
66.0
80.0
1.9
0.174
转角G-:
.:
」1-门0;G0为检偏器光轴与偏振光电矢量同方向时的角度读数值。
InI与InCOSG进行直线拟合得:
n=1.953;与理论值百分差2.3%。
相关系数r=
0.99992。
这就验证了马吕斯定律。
从实验可知:
用马吕斯定律可以定量地调节入射光强度,
也可以检验光电传感器工作是否线性。
实验二太阳能电池基本特性测定
太阳能的利用和太阳能电池特性研究是21世纪新型能源开发的重点课题。
目前硅太阳
能电池应用领域除人造卫星和宇宙飞船外,已应用于许多民用领域:
如太阳能汽车、太阳能
游艇、太阳能收音机、太阳能计算机、太阳能乡村电站等。
太阳能是一种清洁、“绿色”能
源,因此,世界各国十分重视对太阳能电池的研究和利用。
本实验的目的主要是探讨太阳能
电池的基本特性,太阳能电池能够吸收光的能量,并将所吸收的光子能量转换为电能。
本实
验将测量太阳能电池下述特性:
1、在没有光照时,太阳能电池主要结构为一个二极管,测量该二极管在正向偏压时的伏
安特性曲线,并求得电压和电流关系的经验公式。
2、测量太阳能电池在光照时的输出特性并求得它的短路电流(|Sc)、开路电压(UOC)、
最大输出功率Pm及填充因子FF[(Pm(|U))]。
填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。
3、光照效应:
a、测量短路电流ISC和相对光强度J之间关系,画出ISC与相对光强J
JoJ0
之间的关系图。
b、测量开路电压Uoc和相对光强度J之间的关系,画出Uoc与相
J0
对光强J之间的关系图。
J0
一、原理
太阳能电池在没有光照时其特性可视为一个二极管,在没有光照时其正向偏压U与通过
电流I的关系式为:
I二Io(eU-1)
(1)
(1)式中,Io和-是常数。
由半导体理论,二极管主要是由能隙为EC—曰的半导体构成,如图1所示。
吕为半导体
电带,Ev为半导体价电带。
当入射光子能量大于能隙时,光子会被半导体吸收,产生电子和
空穴对。
电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。
光子
二极管、一个并联电阻Rsh与一个电阻尺所组成,如图2所示。
能电池内部二极管的电流。
由基尔霍夫定律得:
IRsU-(咕-Id
假定Rsh:
和Rs=0,太阳能电池可简化为图3所示电路。
这里,I=1ph-1d=Iph-10(e"-1)。
在短路时,U=0,Iph=Isc
而在开路时,I=0,Is^I0(eUoc-1)-0;
1I
二U°c=云1n_^+1](4)
Io
(4)式即为在只前=:
:
和Rs=0的情况下,太阳能电池的开路电压Uoc和短路电流Isc
的关系式。
其中UOC为开路电压,
Isc为短路电流,而I0、"是常数。
、实验仪器与材料
1、光具座及滑块座
2、具有引出接线的盒装太阳能电池。
3、数字电压表1只、电阻箱1只;或数字万用表2只。
4、干电池2节(1.5V)或直流电源1个。
5、白光源1,射灯结构。
功率40W
6、遮板及遮光罩各一个。
实验装置如图4所示。
遮光罩
太阳能电池盒
图4
三、实验内容
I—U特性(直流偏
1、在没有光源(全黑)的条件下,测量太阳能电池正向偏压时的压从0—3.0V)。
a、画出测量线路图。
b、禾U用测得的正向偏压时I—U关系数据,画出I—U曲线并求得常数[和|0的值。
2、在不加偏压时,用白色光源照射,测量太阳能电池一些特性。
注意此时光源到太阳能
电池距离保持为20cmo
a、画出测量线路图。
b、测量电池在不同负载电阻下,I对U变化关系,画出I—U曲线图。
c、求短路电流Isc和开路电压Uoc。
d、求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。
e、计算填充因子FF=Pm门
/(ISCUsc)
3、测量太阳能电池的光照效应与光电性质。
在暗箱中(用遮光罩挡光)
,取离白光源20cm水平距离光强作为标准光照强度,用光功
率计测量该处的光照强度
J。
;改变太阳能电池到光源的距离X,用光功率计测量x处的
光照强度J,求光强J与位置X关系。
测量太阳能电池接收到相对光强度
相应的%和Uoc的值。
a、描绘Isc和相对光强度J|之间的关系曲线,求
/Jo
系函数。
似函数关系。
四、实验结果例
1、在全暗的情况下,测量太阳能电池正向偏压下流过太阳能电池的电流I和太阳能电池
的输出电压U,测量电路如图5所示。
正向偏压从0-3.0V条件下,测量结果如表1所
示。
R=1000Q
表1全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性
U/V
0.400
1.498
2.034
2.286
2.410
2.488
2.601
2.654
U2/mv
0.01
0.39
1.40
2.53
3.46
4.16
5.46
6.21
I/从
3
0.01x10-
0.39
1.40
2.53
3.46
4.16
5.46
6.21
u/v
2.727
2.787
2.853
2.928
U/mv
7.49
8.79
10.41
12.76
I/MA
7.49
8.79
10.41
12.76
由十計-1,当u较大时,1,即lnI=-UlnIo由最小二乘法,将表1
中最后6点数据处理得:
■-=2.60V-,I0=6.2810-mA
相关系数r=0.9998。
2、在不加偏压时,在使用遮光罩条件下,保持白光源到太阳能电池距离20cm,测量太阳
能电池的输出I对太阳能电池的输出电压U的关系,如图7所示。
由图7得短路电流
Isc=0.650mA开路电压Uoc=3.70V。
太阳能电池在光照时,输出功率AIXU与负载
电阻R的关系,如图8所示。
I/mA
0.51.01.52.02.53.03.54.0
R/k
光照下输出功率P与负载电阻R的关系
由图
可得到最大输出功率
Pmax=1.604mW,此时负载电阻R=4800Q,填充因子
FF
Pm
1.604
lscUoc0.6503.70
二0.667。
3、测量太阳能电池|SC和UOC与相对光强的关系,测量结果如图9和图10所示。
图9
图10
从图9和图10中找出|sc及Uy与相对光强
JJ0
的近似函数关系为
Ise二A(Jj)(5)
Uoc二In(JJ。
)C
利用最小二乘法拟合,
得Isc=6.814
丄-0.0905
相关系数r=0.9996;
0C
=0.50571n(丄)
J°
-4.413,相关系数r=0.922。
从最小二乘法拟合中,
可知对短路电流
ISC和开路电压UOC关系式(5)式和(6)式成立。
实验三单丝和单缝衍射实验
一、实验目的
1、观察单缝、单丝、小孔的夫琅和费衍射现象,了解缝宽、线径、孔径变化引起衍射图样变化的规律,加深对光的衍射理论的理解。
2、利用衍射图样测量单缝的宽度和单丝的直径。
并将实验结果与其他方法测量结果进行比较。
二、实验仪器
光具座、半导体激光器(波长650nm)及转盘、单缝(三种缝宽)、单丝(三种线径)架、
小孔架(板)、屏、米尺、直尺、读数显微镜,激光器专用电源。
三、实验原理
由夫琅和费衍射,光源发出的平行光垂直照射在单缝(或单丝)上。
根据惠更斯一菲涅耳
原理,单缝上每一点都可以看成是向各方向发射球面子波的新波源,波在接收屏上叠加形成
一组平行于单缝的明暗相间的条纹。
为实现平行光的衍射,即要求光源S及接收屏到单缝距
离都是无限远或相当无限远,因而实验中借助两个透镜来实现,如图1所示。
位于透镜L1
的前焦平面上的“单色狭缝光源”S,经透镜Li后变成平行光,垂直照射在单缝D上,通过
单缝D衍射在透镜L2的后焦平面上,呈现出单缝的衍射光样,它是一组平行于狭缝的明暗
相间的条纹。
如图2所示。
图2
-2'd,其它任意两条相邻暗条纹之间夹角「宀-'d,即暗条纹以X=0处为中心,
等间距地左右对称分布。
除中央亮条纹以外,两相邻暗条纹之间的宽度是中央亮条纹宽度的
金属丝),则透镜L2也可省略
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