实验10 固体介质折射率的测定

实验10 固体介质折射率的测定

【实验目的】

1、了解偏振光基本知识；

2、测量激光源的偏振度，确定偏振片的偏振方向；

3、用布儒斯特定律测定玻璃的折射率。

4、用最小偏向角法测量棱镜材料的折射率。

【实验原理】

1、线偏振光

用于产生线偏振光的元件叫起偏器，用于鉴别偏振光的元件叫检偏器，二者可通用，仅是放在光路前后不同位置而已。

偏振片产生线偏振光的原因：某些晶体（如硫酸碘奎宁和电气石等）对互相垂直的两个分振动具有选择吸收的性能，只允许一个方向的光振动通过，于是透射光变为线偏振光。 偏振度的定义：m in

m ax m in m ax I I I I P +-=，线偏振光1P =，自然光0P =，部分偏振光1P 0<<。 2、布儒斯特定律

当自然光入射到折射率分别为 n 1和n 2的两种介质的分界面上时，反射光和折射光分别都是部分偏振光，当入射角改变时，反射光和折射光的偏振程度也随之改变。 当入射角0θ满足:1

20tan n n =θ时，反射光就成为线偏振光，其振动面垂直于入射面，即只剩S 光，P 光消失。本实验采用P 光入射，当入射角等于布儒斯特角时，反射光强度为0。利用这种“零值法”可以测出玻璃介质的折射率。

3、用最小偏向角法测量棱镜材料的折射率

当一束光斜入射于棱镜表面时，其光路如下图：

图1棱镜折射率测量

根据光的折射定律其偏转角 γ为：

n i /sin sin =γ（ n 为材料的折射率） （1）

同理出射角 γ'为： n i /sin sin γ'='

根据几何关系可以证明人射光与出射光之间的夹角为：A i -'+=γδ ，而且δ 有一个极小值min δ，可以证明：

当光束偏转角为 min δ 时，有γ'=i ，i '=γ ；

此时A i -=2δ，即 2/)(A i +=δ；

而 γγ2='+=i A ， 有

2A =γ；

带入（1)式可得：

n=sin[(A 十δmin)／2]／sin(A ／2) （2）

因此，只要我们测量出min δ，就可得到材料相对于该测量光的折射率 n 。

【实验仪器】

光学导轨、半导体激光器及电源、偏振片、精密双向旋转台、标准K9石英三棱镜（折射率1.51）、待测亚克力三棱镜和玻璃砖样品、光功率计等。

图2 激光器的偏振度测试实验

【实验步骤】

1．测量半导体激光器的偏振度

转动偏振片，读出光功率计的最大值m ax I 和最小值m in I ，算出偏振度：

min

max min max I I I I P +-= 2．用布儒斯特定律测定待测样品的折射率

2.1、确定偏振片的偏振轴方向（注意：由于半导体激光器自身存在偏振特性，偏振片转盘上的角度0读数位置不一定是偏振轴所指方向，需要学生自己标定）。标定方法如下：

（1）在半导体激光器后面放上一块偏振片，把折射率为1.51的标准K9石英玻璃样品放在双向水平转台上并固定好，注意使水平转台的中心轴线处于玻璃的反射面（上表面）内，保证从水平转台准确读出入射角和反射角。光功率探头装在转台的旋转臂上，接收反射光。

（2）连接激光器电源，调整激光头前的聚焦螺母使激光束为一小亮点（一般出厂时已调好）。调节激光器架，使激光光束、偏振片中心、水平转台的中心轴线、光功率计探头接收口等高共轴。（光路调节非常重要，是保证入射角和反射角准确测量的前提）

（3）转动水平转台，使玻璃片的反射光与入射光重合，读出此时水平转台的角度θ；然后转动水平转台，使激光的入射角为标准K9石英玻璃样品（折射率为1.51）的布儒斯特角；可用白纸片检测光斑位置，也可用转动旋转臂，将反射光射到光功率计探头的中心位置。（注意：转动偏振片过程中可能会出现四个极小值，只能取其中最小的两个，另外两个是由于半导体激光器发出的是部分偏振光造成的。）

图3 偏振片的偏振方向标定测试图

2.2、测量亚克力或玻璃砖样品的折射率

在步骤2.1的基础上，取下K9石英玻璃标准样品，将待测亚克力样品或玻璃砖放置在

水平转台上，放置于调节方法与步骤2.1一致（注意保持偏振片角度不变，确保P 光入射），测量不同入射角下的反射光强（实验光路与图3一样）。光强最小的位置即布儒斯特角的位置。由此角度算出该玻璃的折射率。（激光功率计接收的光强包含激光器光强以及环境光强，需要扣除，由于测试的光强较小，最好在在暗室或者有窗帘的实验室开展实验）

3、用最小偏向角法测量棱镜材料的折射率

（1）按下图5摆放实验装置，连接激光器与激光电源，光功率计探头与激光功率计。

（2）打开激光电源，点亮半导体激光器并开启激光功率计。

（3）仔细调整棱镜的摆放位置和激光束的方向，使激光光束的一半打在棱镜顶端进入棱镜，

另一半从空气中穿过。转动光学转台，观察末进入棱镜的半个光斑的变化，调整棱镜的位置，使直射部分光斑大小的变化尽量小。在转动光学转台的过程中，从棱镜中出射的光斑的偏转角会发生变化，找到偏转角最小的位置。通过光功率计探头，找到两个光斑中功率最大的位置，通过转台上的刻度，读出两者之间的夹角。

（4）将上步的测量值和A=600带入公式：

[])2/sin(/2/)(sin min A A n δ+=

求出棱镜材料的相对折射率。

图4最小偏向角法棱镜材料折射率的测量实验

【注意事项】

1．避免眼睛直视激光束；

2．实验过程中，光斑射在光功率计探头不同位置时光功率计读数不一样，应保证每次光斑垂直入射到光功率计探头硅光电池中间位置；

3．每次测量光强时，光探测器探测到的光强是环境光强0I 与激光光强I 的和总I （只要在激光器出光孔前用手遮挡，此时光功率计测出的就是环境光强）；在用布儒斯特定律测定玻璃的折射率时，本身反射光的强度很小，为避免环境光的影响，最好在有窗帘的实验室或暗室开展实验。

4. 光路上各元件的等高、共轴对实验结果影响很大，需要仔细调节才能得到较好结果。

5. 实验过程中，可用一张白纸观察发射光强的变化情况，进行辅助测试。