相位补偿法测量未知晶片

相位补偿法测定未知晶片

（一）实验目的与要求

目的：1、加深对光的偏振特性的理解；

2、了解起偏与检偏，掌握马吕斯定律；

3、了解反射光与折射光的偏振，掌握布儒斯特定律；

4、了解双折射现象。

要求：1、掌握实验中起偏、检偏的基本方法；

2、注意实验现象的观察和实验现象的解释；

3、了解偏振片，格兰棱镜的工作原理（查资料预习）；

4、掌握相位补偿器的使用方法。

（二）实验原理

线偏振光的获得主要有以下几种方式：1、利用偏振片；2、利用反射光产生偏振，如根据布儒斯特定律利用玻璃堆反射可以获得完全偏振光；3、利用晶体的双折射效应。

如图1所示，当自然光（或部分偏振光）通过起偏器后，形成强度为I 0的线偏振光，光矢量的振动方向为起偏器的偏振化方向。保持起偏器P1的方位固定不变，改变检偏器P2的角度，设检偏器与起偏器的偏振化方向夹角为θ，那么最后的透射光光强为)cos()(0θθI I =

即光强I 随θ而改变，这就是马吕斯定律.

图1

当自然光在两种各向同性媒质的分界面上反射和折射时，反射光和折射光一般不再是自然光，而是部分偏振光。如图2左所示,在反射光中，s 分量(振动方向垂直于入射面)多于p 分量(振动方向平行于入射面)，在折射光中，p 分量多于s 分量。理论和实验都证明，反射光和折射光的偏振化程度与入射角有关。当入射角等于某一特定角i 0时，反射光只有s 分量，是完全的线偏振光（如图2右所示）。这特定角i 0称为布儒斯特角(也称起偏振角)。即自然光以布儒斯特角入射，可以产生线偏振光。

一束入射到介质中的光经折射后变为两束光，称为双折射现象。折射后的两束光都是线偏光，一束遵循折射定律，称为寻常光（O 光）,另一束不遵循折射定律，称为非常光（e 光）。实验中可以利用某些晶体的双折射效应获得线偏振光。

波片是能使互相垂直的两光振动间产生附加光程差（或相位差）的光学器件。通常由具有精确厚度的石英、方解石或云母等双折射晶片做成，其光轴与晶片表面平行。以线偏振光垂直入射到晶片，其振动方向与晶片光轴夹θ 角（θ≠0），入射的光振动分解成垂直于光轴（o 振 动）和平行于光轴（e 振动）两个分量，它们对应晶片中的 o 光和e 光（见双折射）。晶片中的o 光和e 光沿同一方向传播，但传播速度不同(折射率不同) ，穿出晶片后两种光间产生 (n 0－n e )d 光程差（见光程），d 为晶片厚度，n 0和n e 为o 光和e 光的折射率，两垂直振动间的相位差为Δ＝2π（n 0－n e ） d ／λ。 两振动一般合成为椭圆偏振（见光的偏振）。Δ＝2kπ（k 为整数）

自然光反射和折射

图2

时合成为线偏振光；Δ＝（2k＋1）π／2，且θ＝45°时合成为圆偏振光。凡能使o光和e光产生λ／4附加光程差的波片称为四分之一波片。若以线偏振光入射到四分之一波片，且θ＝45°，则穿出波片的光为圆偏振光；反之，圆偏振光通过四分之一波片后变为线偏振光。凡能使o光和e光产生λ ／2附加光程差的波片称为二分之一波片。线偏振光穿过二分之一波片后仍为线偏振光，只是一般情况下振动方向要转过一角度。光程差可任意调节的波片称补偿器，补偿器常与起偏器结合使用以检验光的偏振状态。

索列尔-巴比涅相位补偿器的作用类似于一个相位延迟量可调的零级波片，由两块楔角相等、长度不等的晶体楔及一块晶体平行平晶组成，通过旋转测微丝杆来改变晶体楔对的组合厚度，可对透过的任何波长光产生0～2 之间任意的相位延迟，可用于产生相位延迟或进行相位补偿。

通过千分丝杆推动长晶体光楔来改变的光程差以得到不同波长对应的不同相位的波片。

（三）实验设备

仪器：He-Ne激光器、激光电源、相位补偿器、光阑、偏振片（一组）、格兰棱镜（一组）、光学光具座，白屏，反射镜、支架、待测晶片（1/4波片和1/2波片）

（四）实验内容与基本要求

1、用一片偏振片或格兰棱镜检验He-Ne激光器输出光束的偏振特性，若为偏振光，则进行步骤2的实验，否则，利用偏振片或格兰棱镜进行起偏。

2、转动检偏器检验步骤1输出激光的偏振方向。将检偏器转动360º，能观察到几次消光？解释观测到的实验的现象。

3、正交调节：将起偏器、检偏器放到光路中。旋转检偏器，使输出光束光强最小，即消光，此时起偏器和检偏器偏振方向正交。

4、补偿器晶轴方位调节：把补偿器放置到光路中的起偏器和检偏器之间，光线应垂直穿过光学表面。此时输出光强可能不再是最小。绕光传播方向旋转补偿器到消光位置，此时补偿器晶轴方向与入射光偏振方向重合。再将补偿器旋转45°，拧紧两个锁紧螺钉以防止器件转动。

5、补偿器零位确认：补偿器旋转45°后，光电探测器指示一般不再为0。调节测微丝杆可得到两个消光位置，分别对应补偿器提供相位延迟为0和2π的位置。对任意波长入射光，零相位延迟的位置不变，而2π相位延迟的位置则和入射波长有关。在0和2π之间可对测微丝杆的平移量线性定标。

6、待测器件晶轴方位调节：补偿器在零相位延迟位置。把待测器件放置到光路中的起偏器和补偿器之间，光线应垂直穿过待测器件的光学表面，绕光传播方向旋转待测器件到消光位置，此时待测器件晶轴方向与入射光偏振方向重合，再旋转待测器件45°使其晶轴方向与补偿器晶轴方向一致，此为测量位置。

7、调节补偿器测微丝杆，可得到任意的相位延迟量。通过补偿器上的测微丝杆的读数，可得到待测器件的相位延迟。

基本要求

（1）入射光束应垂直入射到器件的光学表面。调整入射光方向，使器件表面反射的光束与入射光大体重合。

（2）入射光偏振方向与补偿器晶轴交角为45°，补偿器平移方向即晶体楔晶轴方向。

注意事项

1、测微丝杆属于精密调节装置，使用时，不可用力过大，以免造成调节不当，

致使丝杆松动。

2、搬动相位补偿器时，需托底移动，千万不要将测微丝杆当做手柄使用。

3、观察前应调节整个光学系统，使之共轴，并尽量满足使平行光垂直入射到各个光学元件上的要求。

4、减少周围杂散光的影响。

5、由于偏振片和棱镜并非理想元件等原因，观察到的现象与理论有一定的误差。

6、注意保护眼睛。

（五）思考题

1、实验中采用了几种获得线偏振光的方法？

（六）实验数据处理

1、仔细观察并记录实验现象，并对观察到的实验现象进行解释；

2、对实验中所用的波长进行测微丝杆的平移量线性定标；

3、测量待测器件的相位延迟。

预习时请考虑：若为1/4波片，实验现象如何？若为1/2波片，实验现象如何？