椭偏仪

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实验题目：椭偏仪

实验目的：利用传统的消光法测量椭偏参数，使学生掌握椭偏光法的基本原理、仪器的使用，并且实际测量玻璃衬底上薄膜的厚度和折射率。

实验原理：见预实验报告。

实验步骤：

1、调节仪器共轴。

调节激光与椭偏仪两个光道共轴，具体步骤为取四个中间有小孔的塑料塞，塞在椭偏仪的两个平行光管筒的四个孔上，用激光射向平行光管筒，使激光穿过四个塑料塞的小孔，尽量使四个塑料塞上没有红光，即激光全部从小孔中通过，则说明仪器共轴调好。调好后将表盘调零。

2、安装检偏器

在远离激光器一边的平行光管筒一边插上望远镜筒，在平台上放置一玻璃挡板，将平行光筒调过66°，调节玻璃挡板的角度使得激光射入望远镜筒，在平行光管筒上安上检偏器，内环调到0°，外环调到90°，刻度处竖直向上；然后用眼睛观察望远镜筒，微调检偏器，直至望远镜筒中的红点亮度最小，固定检偏器。

3、安装起偏器与1/4波片

将玻璃挡板取下，并将平行光管筒调回0°处，将起偏器内环调到0°，外环也调到0°，刻度竖直向上挂到离激光器较近的平行光管筒上，然后眼睛注视望远镜筒，微调起偏器，直至红点光强最小时停止调整，固定起偏器。然后将1/4波片安到起偏器上，注意用一只手固定起偏器内环，防止内环转动，同时用另一

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只手转动波片，眼睛通过望远镜观察红点光强，直至光强最弱，这时停止调整，此时的仪器已调整完毕。

4、寻找消光点

将样品放到座台上，将平行光管筒调至40°处，调节样品角度使得激光射到平行光管筒中且可以在望远镜中看到红点。先将起偏仪内环调到+45°，这时将起偏仪与检偏仪均调至0~90°间任何一值，在0~90°之间调节起偏仪，同时眼睛注视红点，发现红点光强有变化时，调节检偏仪，范围同样是0~90°，可发现光强变小，反复调节二者，直至找到光强最小处，记下此时起偏器与检偏器的读数；再将二者调到90~180°之间重复上述操作，得到另一组数据。然后将起偏仪内环调至-45°，重复上述操作，再得到两组数据。

5、用软件计算薄膜的折射率与厚度

将刚刚测得的四组数据输入软件中，运行软件找到样品的折射率与厚度。实验现象及数据：

在调节共轴时四个塑料塞基本上没有红光；

安装起偏器、检偏器、1/4波片时消光比较成功，尤其是在安装1/4波片时，基本上将光消掉，红光已经由红点变成淡淡的一片红色。

使用的薄膜编号为6360，实验数据如下：

1/4波片角度起偏器角度检偏器角度+45°63°75.9°

143.5°100°

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-45°19.8°79.1°

123°102.9°经软件计算，得出以下结果：

薄膜厚度：54nm 薄膜折射率：1.9 周期厚度：191.6nm

0周期：54nm 1周期：245.6nm

实验总结及误差分析：

本实验存在几个难点：第一个就是调节仪器共轴。调节仪器共轴时先不要调节激光器，将激光与四个小塑料塞弄到一条直线上以后，如果发现四个小塑料塞上红点高度不一，则必须调节激光器的俯仰角，每次调节一点点，直至激光与平行光管筒平行，然后调节激光器的竖直高度，使得激光恰好与塑料塞的小孔等高度，然后开始调节平行光管筒，这步就比较简单了。

第二个难点是安装1/4波片时一定要记住保证起偏器内环不要转动，否则实验一定失败。

第三个难点是找消光点，由于起偏器与检偏器均达到特定角时才发生消光，使得单独调其中一个时不会发生消光，这就要求在调节起偏器时要仔细观察红点，当红点出现一点点细小的波动时，意味着起偏器已经靠近消光角度，这时在调节检偏器，然后进行后续微调即可。

本实验经过软件处理后的数据看似很精确，其实试验中误差很大，其误差来源有以下几种：

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起偏器与检偏器的安装，安装时使用肉眼来寻找消光点，精度不够，而且调好角度固定时起偏器与检偏器几乎一定有轻微的转动，这时无法避免的。

1/4波片的安装，这个更容易出现误差，因为1/4波片在安在内环时很容易引起内环转动，且一手固定内环一手旋转波片，调节时很容易使起偏器整体转动，毕竟起偏器的固定不是很牢固。且调节之后可以发现内环或多或少会有些变化，消光点一样是目测，不准确。

将平行光轴调到40°处时有轻微误差，观察消光点时眼睛若不小心碰到望远镜筒很容易带动平行光管筒有轻微偏移。

侧四个消光点时用的都是用目测来确定的方法，存在较大误差。

用计算机软件处理时，厚度与折射率均取的近似值，本实验数据厚度其实在53.5nm左右，偏向54nm，因此读出的数据也存在误差。

思考题：

1、检偏器、起偏器透光方向的零刻度是如何定位的？

检偏器时先将外环调到0°，然后通过布儒斯特反射产生线偏振光入射，偏振方向为竖直方向，此时微调达到消光，则可定位检偏器的零刻度。回复光路，使两个平行光管筒位于同一条直线上。将起偏器的外环调到0°，则它产生的偏振光与检偏器的偏振方向应该成90°，既可以达到消光的效果，因此可用消光法来定位起偏器的零刻度。

2、1/4波片的作用是什么？

1/4波片是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，其表面与晶体光轴平行。

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在一束光入射时会发生双折射现象，分成一束寻常光和一束非常光，其中寻常光与主截面垂直，非常光与主截面平行，有单轴晶体的性质可使o 光和e 光在晶体中传播速度不同，从而产生位相差。而1/4波片的厚度经设计使得位相差偏移

恰为1/4周期，即

2

π。本实验中波片放置角度为+45°或-45°，使得竖直方向的线偏振光入社时与主截面夹角为45°，则分解出的o 光与e 光振幅相等，相位差2π，为一等幅椭圆偏振光。

3、等幅椭圆偏振光是如何获得的，简述其原因。

激光先经过竖直向上的偏振片，产生偏振方向为竖直方向的线偏振光，然后经1/4波片作用，射出时变为等幅椭圆偏振光。

1/4波片原理上题已经叙述，o 光与e 光相位差为

2

π，且二者振幅不为零，则必为椭圆偏振光，其振幅由以下公式确定 θθ

sin cos ⨯=⨯=E E E E o e

其中θ为入射光与主截面的夹角，本实验中θ=45°，因此o E 与e E 相等，所以为等幅椭圆偏振光。