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论文案例大全-平面镜反射角对线偏振光相位变化的实验研究
时间:2021-04-08 15:50:29

  1.1课题研究背景意义

  光学属性中十分重要的一环就是光学的相位信息。又能表现出反射物质的光学特性,通过反射相位的变化,可能有效获取各种偏振态光,而且也受到角度的影响。在科学技术快速发展中,不仅能反映光电本身的特性,而且能与国家经济和社会发展的重要生产力——传输技术相结合。为准确的测量和传送奠定了理论基础。根据测量原理和方法的不同,在精密测量技术中,测定技术可以分成两种范畴。第一,直接测量技术;第二,间接测量技术。非接触测定方法,顾名思义,就是不直接接触物体表面,减少对测定对象的损伤,减少误差,从而提高精确率,并通过此获得测试物体的相关信息,使用光电子或电子技术等方法来测量物体内外部结构包括内部及外部结构相关的部分数据,以达到最终目的。光电是精密测量和传输技术的重要课题。而作为光学相光学特性中不可获取的一部分——光学相位信息。在各类精密测试中,位相信息应影响测量的准确率,有效地处理位相关系是理论与实际相结合的重要部分。

  本论文以反射光的反射角度与反射光的角度之间的关系作为实验的求证,使用平面镜子作为反射光的反射面。

  1.2国内外相关研究状况

  1.2.1三坐标测量机的发展情况

  CNC小型坐标测量机,由德国CarlZeiss公司最新研发,利用热不灵敏陶瓷技术,使坐标测量机的测量准确度不受温度改变影响,始终保持在17.8°到25.6°的范围内。此公司开发的坐标测量器软件为STRATA-UX,测量数据可以通过随机安装在CMM上的统计软件直接传送,测量系统提供的测试数据也可以进行实时分析和管理。是根据需要来评价的。根据此数据库,X-BAR&R及X_BAR&S图表、频度直观图、运营图表、对象图表等各种统计报告将自动生成。

  中国唯一的世界级坐标测量系统制造商——海克斯康测量技术(青岛)有限公司中。拥有多种类三坐标测量仪,但是技术上仍然对国外存在部分依赖,而以德日两国的技术制作的日本三丰高精度CNC三坐标测量机,作为FALCIO-Apex系列中的高端产品,其特点:

  一高测量精度、高运动速度。

  二全数字运动控制。

  三使用更高效的高强度气浮轴承来制作三轴导轨。

  机械、以及工具原型、大型机械的中,小配件等、模具等行业中的箱体、机架、齿轮、凸轮、蜗轮、蜗杆、叶片、曲线、曲面等的测量是三坐标测量仪的主要应用领域主要,还可用于电子、赋胶等行业中,甚至我们熟悉的五金,通过对工件的尺寸、形状和形位公差所进行精密检测,达到零件检测、外形测量、过程控制等目的。

  1.2.2微/纳米级精密测量技术在国外的发展状况

  测量精度水平开始向微纳米级发展是20世纪末的重要科学突破。而纳米级加工技术可分为两个部分——加工精度和加工尺度,21世纪的最高精度微米级仅仅几年,便发展到如今的几个纳米数量级。以美国的NIST,英国的NPL和德国的PTB为首,在亚洲,以日本的NIMJ和韩国的KRISS微/纳米技术研究和探测物质结构的功能尺寸与分辨率等发达国家的计量院对基标准的研究是长久而持续不断的,并且进行很大投入,已达到微米至纳米级尺度,使人类对自然的改变能动性方面深入到原子、分子级的纳米层次。超精密衍射光栅精度,如金刚石车床加工已可达1nm,实验室已经可以做出10nm以下的线、柱、槽等。得益于越来越先进的微米级或纳米级的测量技术与设备,微/纳米技术有了飞速发展。测量已经比较成熟的技术,比如具有微米甚至亚微米测量精度的表面形貌,如HP5528双频激光干涉测量系统(精度10nm)、具有1nm精度的光学触针式轮廓扫描系统等。进行原子级的操作、装配和改变形态等加工处理方式成为最近几年来的前沿高新技术正是源于利用描隧道显微镜、扫描探针显微镜和原子力显微镜直接观测原子尺度结构的实现。

  1.2.3激光测距技术在各国发展进程

  1960年,柯丽达1型激光器——作为第一台全球首台激光器,美国科学家梅曼首次推出。从上世纪七十年代初开始,激光技术已经开始在测量仪器领域陆续普及应用。1971年,美国军方在对有关技术进行创新改良后,推出了AN/GVS-3型红宝石激光测距系统。随后,激光测距机开始在全球各国军队得到大量配备,由此推动激光测距装置快速发展起来,型号越来越全、功能越来越完善。随后,美国、俄罗斯等一些军事强国的知名企业开始在这一领域合作开展研发制造业务,并陆续推出了系列产品,广泛应用在航空航天、工业制造等诸多领域。在技术长足发展的促动下,目前,激光测

  距仪已经实现了两代更迭,进入了第三代时代。第一代系统主要构成元件是是光电倍增管探测器和红外宝石激光器,这种构成具有占地多、重量大、高耗能等特征,很快被以近红外钕激光器和PIN光电二极管等为主要构成的第二代激光测距系统所替代。和第一代产品相比,第二代产品的体积更小、耗能更低,并在一定时间内得到长足发展。但在使用过程中,这类激光器精准度不高、兼容性差等缺点日益暴露出来,愈发难以满足相关领域的发展,又掀起了新一轮改良热潮。很快,第三代激光测距仪被研发出来,这类测距系统直接克服了前两代测距系统无法摆脱的高耗能、低精度、大体积等缺点,得到各国的广泛认可,并吸引各国学者及有关机构在该领域展开大量的研究实验。后来,一些西方国家又根据各自发展的实际需要,开发了各类用途的仪器,实现了一唯技术主要测量距离到二维主要扫描平面、实现片区监控,甚至是三维主攻空间定位和轮廓测量的技术跨越,为产品开始多元化发展奠定了基础。

  2008年,全球知名学者迈赛公开展示了其研发的LS30,该技术在190度不可见非接触监控方面实现了关键性突破,可以通过定制软件来自主调整监控范围,更加契合了工业应用的需求。后来,学者劳意斯又发明了多个测距系统,并成功的将产品的分辨率提升至30mm的精度,并可以借助过PROFIBUS-DP、红外等接口将数据传输到PLC等测距系统中。根据这项技术,莱卡公司又模拟各类应用场景,开发了多种激光测距系统,并凭借其快速性和对电磁干扰的耐抗性赢到了各个领域的青睐,迅速推广开来。

  上世纪70年代,我国在激光器研究方面也取得了突破,并推出了样机。最先取得突破的是北京光学仪器厂和苏州第一光学仪器厂,这两个企业相继开发出了以气体激光器作为光源的经纬仪。但这类激光器体积非常大、折损又比较严重,寿命仅有1年,基本上一年就要更换一次,所以给实际应用带来了诸多不便。将激光光束导入到望远镜中,通常有两种结构模式。一是刚性直接导入,这类方式的优点是结构简单,能量损耗小,但由于体积过大、体重过高,在实际应用中操作起来特别不方便,再加上没有自供电源,每次使用都要外部电源,导致其无论是在横向上还是在纵向上都难以实现全角旋转,所以导致其越来越无法满足实际需要。二是光导纤维导人。这类方式的优点是克服了激光器工作时发热给仪器带来的变化,光束可以漂移了,但由于这类仪器自身没有安装激光器,也没有供电电源,所以又给横轴带来了支承压力,且其内部复杂的构造以及光能的高损耗,更对其广泛应用产生了制约,使其难以更广泛的应用开来。

  总体来说,激光技术虽然在我国起步比较晚,但发展速度比较快,经过近年来的赶超,我国在该领域有多项技术已经到达了前沿水平,可以与其他国家同台竞技。比如,早在1972年,我国就自主研发出JCY-1型精密气体激光测距机,紧接着1973年,我国又研发出JCY-2型激光测距机,到1996年,我国有研发出一款新型便携式半导体激光测距机,直接将测距的误差控制在0.5m范围内,精准度得到提高。再后来,我国又在提高精准度、降低体积体重方面进行了大量的尝试,行业发展进一步加速。到1999年,我国在对影响测量精准度的误差因素进行分析后指出,产生误差的主要原因包括三个方面,一是系统响应时间;二是频率稳定性;三是脉宽。到了2005年的时候,一些清华大学研究人员如以赵大龙和秦来贵为首,他们又对激光测距仪进行了新的分析,并制定了自触发测量的实施方案,为进一步缩小误差,提高精度提供了可能。2007年,我国科研机构又研发出TDC-GP1,再次提高了测距范围和精准度,并凭借其便于使用的强大优势,获得市场认可。2008年,又在时幅转换技术上取得新的突破,将精度误差压缩到5mm范围内,走在了世界的前列。

  1.3本文研究的主要内容和论文结构

  1.3.1主要内容

  研究不同入射角时,平面镜的入射光反射光相位信息变化情况是本次课题的主要研究内容。为精密测量和传输提供理论依据。主要内容包括:第一,学习反射偏振的相关知识;第二,学会检测不同光的偏振态方法,得到其相位信息;第三,;做出具体实验,得到线偏振光入射时,入射角改变时反射光的相位变化情况。第四,结合利用实验中所获取的数据,对平面镜反射角与线偏振光相位影响做出一定理论分析。

  第一步,了解有关理论及学术资料,阐明入射光和反射光相位变化相关的理论并结合其机理设计实验,充分做好实验前各项工作准备,选择合适仪器,组建实验平台,开展课题研究,;第二步,结合对相关理论的研究情况及实验准备,选取特定配件,构造光源系统,并调整入射角度,分别开展测量,统计实验数据,根据实验数据查找哪些因素能够对实验结果产生影响以及影响程度如何。第三步,根据实验中所获取的相关数据,得出线偏光相位变化与平面镜反射角的关系。

  1.3.2论文结构

  第一章:绪论:主要介绍本课题的选题国内外背景、相关测量技术发展现状以及主要内容。

  第二章:反射光的相位及偏振态的分析。介绍了系统的介绍了偏振现象和偏振态,详细介绍了利用偏振态提取相位信息的原理,阐述了菲涅尔公式的推导过程。说明了反射光的相位变化和线偏振光不同界面上反射后的偏振态,并阐述了偏振光获取的几种方法。

  第三章:实验方案设计。本章介绍了的获取线偏振光方法,以及偏振态的测量方法。对实验方案及实验器材的作出选择,从而搭建实验平台以及具体实验步骤。

  第四章:实验研究平面镜不同反射角与相位之间关系。本章主要研究不同入射角下反射光的相位变化。

  第五章:结论与展望。

  1.4本章小结

  本章对本课题的国内外研究背景,各国家之间有关精密测量发展现状进行了阐述,表明了本次课题的主要研究内容以及实验方向。

  2反射光的相位及偏振态的分析

  2.1偏振现象及偏振态简述

  2.1.1偏振的基本原理

  光源在通常的情况下会沿着各个方向进行散射,发射出光矢量,因此,其振动的幅度是一样的,从而称为自然光。光属于电磁波,而电磁波又被称之为横波,电磁波通过振动的方向以及传播的方向形成了一个平面,线偏振光光的形成就是因为光振动的平面没有改变方向所形成的,又被称为平面偏振光,如果某一个光振动强于其垂直方向的光振动,那么我们称为部分偏振光。偏振光的振动方向不会发生变化,形成此现象的原因是因为光矢量的不均匀分布,那么这种不对称性就叫做偏振。

  电磁波具有振动极特性,根据传达的方向和垂直的平面,不论朝哪个方向都能振动,一般光波电界振动的方向被视为光振动的方向。光的光线沿着同一方向振动,或者是更严格地完全偏振。一般来说,自然光向各个方向均匀的振动,是不偏振的。但是光滑的非金属表面在材料折射率相关的叫做布儒斯特角反射偏光。离开这个角度,不偏光就和偏光混合在一起了。我们把这部分光叫做偏振,部分偏振有一定程度,偏差角度越大,偏振就越小,最终导致非偏振。偏振光一共氛围两大类,第一类为均匀偏振光,它划分的依据是根据光的轨迹形成的形状决定的,像线偏振光,圆偏振光,椭圆偏振光等等,其中前两种是第三种的不同形态,而第二种和第三种有一个关联,就是其振动方向是两两垂直,它们两个的相位差始终是恒定的。第二类为非均匀偏振光,非均匀偏振光的偏振态相对而言还是比较独特的,例如径向偏振光,如其名字一样,因为其振动的方向成对称状。偏振光形成的方式有三种,第一种是通过偏光子的自然光,为了观察自然光,通过两个偏振片,第1个偏振片把自然光改变为偏光,并确认第2偏振片的来检测是否存在偏光。实际上,偏振片具有偏光方向的性质,只有与它方向平行地振动的光才能通过,会吸收掉其他方向振动的光。第二种方式则是是通过反射以及折射获取,这种方法要求入射面平行的光和入射面需要垂直亮光的比率,当平面镜等玻璃仪器的的光反射强度是为入射光的强度的7.5%,此是我们可以获得线偏振光;最后一种是通过自身特性获取,自身产生的双折射会分离出偏振光,这样分离出的偏振光有两种,一种是寻常光,一种是非寻常光。

  2.1.2光的偏振态简述

  在两波叠加前的分布方向决定着最终波的振动方向,叠加前一样,叠加后也是一样的,反之,叠加前不一样,叠加后也会发生相应的变化,例如,之前是垂直方向叠加,那么之后形成的形状将会变为椭圆。由于光是一种横波,所以它的运动方向只能限定在固有的垂直平面内,无法超出平面外,这种现象就叫做光的偏振态。偏振态又分为三种;一是完全偏振光;二是非偏振光;三是部分偏振光。当中,完全偏振光又分为三类,第一类是线偏振光;第二类是圆偏振光;第三类是椭圆偏振光。线偏振光在振动时,它的振动方向是固定不变的,可以在一个指定位置去观察其运动轨迹,会发现其在平面内形成了一条笔直的线段;如果光矢量的时间固定,空间变化,那么所有的光矢量的方向是确定的,则各处光矢量位于一个取人就向确定的平面,由传播方向和振动方向同时决定,构成振动平面。观察期间拉平后,圆偏光与自然光是同一种光,但原偏光的偏光方向会根据特定的规律随机改变,只是自然光的偏光方向没有规律地改变。圆形偏光矢量的光标如果时间向右变化,这种圆形偏光就叫做右旋圆偏光,反之,则称为左旋圆偏光。

  2.1.3偏振态提取相位信息的原理

  振动方向垂直,传播方向相同的两列平面波,其中一个x轴振动,另一个与其垂直的方向为Y轴,传播方向为Z轴。不失一般性,取,并记y的振动相对于x振动的相差为,那么我们可以得出X方向的矢量波函数和Y方向的矢量波函数:

  (2.1)

  某一刻的和振动为

  (2.2)

  因为两列波的合成前的传播方向相同,传播速度也相同,所以合成后,合成波的方向和速度也不会发生变化,将继续在这个平面内传播。简而言之,光波的横波性不会发生变化。如果E矢量和X轴的夹角用来表示,则计算公式如下:

  (2.3)

  设z为定值,首先分析几种特例,然后给出一般情况下的结果。另外,由于与(m=±1,±2,)的效果是等价的,为表示方便,把限定在宽度区间内,该区间取(1)这时,如下式可化为

  (2.4)

  即为正常常数,故合矢量位于一、三象限中的一个确定平面内,图2.1表出该平面与XY平面的交线。这种光称为线偏振光,易见合成光波的振幅:

  (2.5)

  而其强度

  (2.6)

  式中、分别表示、两列波的强度。

  图2.1线偏振光的振动象限

  (2)δ=π

  此时式(2.3)化为

  (2.7)

  虽然,E矢量的振动面位于二、四象限图2.2(b)中,合成波亦是线偏振光,其偏振与强度仍满足式(2.5)与式(2.6)。

  (3)

  这时式(2.3)的形式为

  (2.8)

  对给定的z,是t的函数,即合矢量E的空间指向将随时间变化儿发生旋转。为分析其旋转方向,不妨取的平面,这时上式转化为

  (2.9)

  易知θ将随着t的增大而增大。当面向z轴负方向观察时,

  将会发现光矢量转动的方向为逆时针,所以称其为左旋。不难看出当z为其他值时光矢量也是左旋的。将δ=π/2带入式(2.1),很容易得到下列方程:

  (2.10)

  在同种介质下,光矢量会在平面中形成一个椭圆轨迹,公式中为x的半轴长度,同理为y轴的半轴长度,其方向构成一个椭圆形状。综合以上两种因素,可以把合成光称为左旋椭圆偏振光,这时由式2.9可以得到,即E以做匀角速度旋转。椭圆的偏振光,其角速度并不是固定不变的,具体由光矢量方向所决定。

  (4)

  分析得出,光矢量会形成一个正椭圆形状,面向z轴看去,转动方向是顺时针,因为该方向为右旋,因为,所以称为右旋圆偏光。

  (5)一般情况

  由式2.1经适当的数学变换,可以证明,当为任意值时,在时间t发生改变时,E矢量末端的运动轨迹也将发生变化,其运动轨迹可以由以下方程式表示:

  (2.11)

  显然,显然这个方程描述的就是“斜椭圆”,因此光学上也就叫做椭圆偏振光。此斜椭圆当、时退化为直线,当时转化为正椭圆,这与前文分析结果完全一致。E的旋向仍然可利用式2.3进行分析,结果表明:在或时椭圆是左旋的;在或时椭圆是右旋的。

  2.1.4相位差判断偏振态原理

  原理图如图一所示,当两束光通过分束又进行合成后,形成了一束椭圆偏振光,其轴和轴之间相互平行,并经过λ/4拨片,最终形成线偏振光,再次经过λ/2拨片后形成S光,重复该动作几次后最终实现光束合成。

  图2.2偏振光束合成原理

  任何正交方向上的相位差和振幅都可以表示椭圆偏振光的偏振态,建立好坐标系,如图2.2所示,轴和轴和两束光的振动方向相互平行,我们令两束光初始的振幅比为,那么在其与之间角度为和+Π/2时,两个方向的相位差产生了变化,为:

  (2.12)

  (2.13)

  (2.14)

  在坐标系中,合成光的主长轴的角度,光轴为λ/4时方向,表达式

  (2.15)

  决定,当波片的光轴方位角为

  (2.16)

  时,光是经过λ/2波片输出的,如果方位角为β+=Π/4,那么我们能得出结论,合成了S光。研究表明,和是根据观察方向上的强度来决定的。

  2.2菲涅尔公式

  菲涅尔公式在光学科学研究中具有重要作用,它能够诠释很多变化多样的光学事项,它能够准确的推到出波在不同层面中由于光学现象,如折反射,形成的振幅之间的关系,这些都源自于电磁场的临界值。

  图2.3所示,我们分别用、、、来表示折射光,入射光,和反射光的振幅,对应的平行入射面的分量和垂直入射面的分量分别表示为、、和、、,用、、来标明入射角度、反射角度、折射角度。

  图2.3菲涅尔公式示意图

  根据光的折射定律和反射定律,我们可以得到菲涅耳公式如下:

  (2.21)

  (2.22)

  (2.23)

  (2.24)

  此公式表示了光偏振在不同方向分量下的关系,其中最为明显的是振幅的变化,由振幅得出他们之间产生相位差的原因.如图2.4,当光束射于介质上时,会具有不同偏振态的表现形式,这是因为其性质不同而产生的影响,在我们本次实验中,介质一般为电介质或者金属介质等物质。

  图2.4线偏振光的震动方位角

  2.3偏振光入射方位角与介质反射率关系研究

  一列光波以不定角度射到一介质表面,这是率为n,振动方向产生的入射角度为,将振动方向进行分解,一个为水平方向,一个为垂直方向。两列波的振幅分别用,表示。在方向和方向分解为:

  (2.3.1)

  由光强公式可推断出能量占用率为:

  (2.3.2)

  因此,能量的损失率为:

  (2.3.3)

  (2.3.2)式、(2.3.3)式中,分别表示入射光强和反射光强。

  由(2.3.2)式得

  (2.3.4)

  (2.3.5)

  由(2.3.3)式得:

  (2.3.6)

  (2.3.7)

  (2.3.8)

  (2.3.4)(2.3.5)(2.3.6)(2.3.7)(2.3.8)这是两个角度的关系式。(2.3.8)式中,为反射率,代表的是水平和垂直方向的分量。

  二布氏角入射

  为了确保实验的严谨性,我们以布氏角入射光束的反射特性为例,探讨光振动方位的与介质反射率关系。

  1方位角时

  一平行光束从空气中射入一个均匀介质中,它的传播方向不变,振动方向于该平面垂直,折射光的方向和反射光方向平行,这是根据折射定律所得,所以反射光的方向是跟折射光垂直的,根据临界条件可知,反射光的反射率是零,所以并不真正存在。

  2方位角时

  同理我们可知,在特定的情况下我们发现偏振光在入射时,它的方向是垂直平面的,此时根据临界条件,折射光和反射光都具备条件,反射光在平行平面的振动为零,根据菲涅尔公式:

  (2.3.9)

  式中,为入射角跟折射角。由此得反射率:

  (2.3.10)

  得出一个结论,方位角时,反射率的值由折射率决定,与其他条件无关。如布氏角为56.3°,折射率为1.50时的玻璃片,它的反射率为14.79%。

  3任意方位角时

  根据布儒斯特定律得出,反射光的振动方向垂直入射时,产生的还是为0。由于,根据(2.3.9)式得介质反射率为:

  (2.3.11)

  此式与由(2.3.8)式给出的结论是一致的。对于折射率为1.50的玻璃片,其反射率0.1479sin2θ。

  图2.5

  2.4不同界面上线偏振光反射时的偏振态分析

  分析反射光的偏振态,当线偏振光以入射在某一介质时,根据菲涅尔公式我们可以知道,垂直和水平上的反射光分量跟入射光的相位发生偏差,偏差量为0°或180°,由于和的频率一样,没有产生相位差,所以和之间产生的位相差是0°,或180°,合成的依然是线偏光.令其入射光的振动方向角为,反射光的振动方向角为,

  由菲涅尔公式

  (2.4.1)

  通常,得出入射光和反射光的振动方向角不同.

  由式(2.4.1)可知,当时,,当时,也就是说光入射时,反射光不发生变化,光入射时,反射光还是不会发生变化.在这2种情况下,反射光的入射光的振动方向角和振动方位角一样.当其振动方向角不等于0°和90°时,反射光的的方向角也会随之发生变化,其振动所在平面相对于入射面产生了一个角度,由式(2.4.1)可知,产生的此角度不但和入射角有一定的联系,而且和入射光的方向角有关。

  2.5反射光的相位变化

  在反射光中,反射光矢量的振动方向和入射光矢量的振动方向一样时有一种情况,相反时也存在另外一种情况,也就是说他们之间可能存在一定的相位差,也可以称为附加相位。当他们的振动方向相同时,说明其附加的相位等于零,而得出相位为Π时,说明其方向相反,同理-Π亦是如此。分别具体说明:

  1折射光永无位移

  如(2.2.3)(2.2.5),由于和的取值范围不超过0°,-90°,和的变化范围分别不超过0°~180°和(0°~90°),即透射光永远与入射光同相。

  2反射光无相位变化

  1)外反射

  对S光,由(2.2.1)知<0,则、,实际振动方向与各自规定正方向的一致性相反,例如表示的振动方向和人射光中规定的方向一致,说明和反射光中的实际值相反,反之亦然。

  对p光,由式(2.2.2)知当<时,+<90°,>0,则、,振动方向和各自所规定的方向是一样的,那么的实际取向与反射光中规定的正方向也一致;当=时,+=90°,=0,无反射p光;当>,+>90°,<0,,,实际振动方向与各自规定正方向的一致性相反。

  2)内反射

  对s光,当<。时,由式(2.2.1)知>0,、实际产生的振动方向和各自规定正方向是一样的。

  对p光,由(2.2.2)知<时,+<90°,则、,实际产生的振动方向和各自规定正方向是一样的,当=0,=0时,无反射p光,当<<时,>0,则、,实际振动方向与各自规定正方向的一致性相同。

  2.6本章小结

  此章节介绍和分析了,不同角度入射时,偏振光的偏振态的变化,还有解释了各种偏振光的相位之间的联系,为获取偏振态以及其产生原因提供了理论研究基础。

  3实验方案设计

  3.1实验原理

  当入射时偏振态不发生变化时,通过不同的入射角度来获取相位信息。所用实验器材为:激光光源、平面镜、照度计及偏振片。实验原理图如下3.1所示。

  图3.1中1是激光光源,2是起偏器,3是平面镜,4是检偏器,5是照度计。

  3.2线偏振光获取方案选择

  (1)由特殊角度入射介质获取偏振光:在1812年布儒斯特发现,入射角度处于一个特殊的位置时,和入射平面垂直的一个方向会产生振动,这是因为我们反射时它的振动方向时固定的,而当平行去入射时,并不会产生振动,这个特殊的角度就是我们所说的布儒斯特角。此反射叫做线偏振光,该反射有一个影响,就是当入射的光束强度如果太大时,偏振度不会太大,两者成反比,因此我们通过这种方式可以让自然光经过一个叠加过的平行面,以特殊角度射入,最终来获取线偏振光。

  (2)我们可以通过改变某个参数值来改变它的偏振态,这是因为一个特殊的原因,光的偏振态时根据不同振幅和相位差产生的,所以我们改变振幅和相位差就可以来改变波的偏振态,那么晶体是一个非常好的选择,最后再用波片去获取。。

  (3)由线起偏器获得获取线偏振光:使用偏光板可以通过偏光板偏振自然光,在玻璃板上发光或利用复折射晶体的复折射获得偏光。当光线透过两种介质的边界时,当入射角适当时,反射的光线完全偏转成线性时,入射角就是起偏角。因为想要得到偏振光,我们要通过特定的相互作用来实现,这是因为普通光源达不到所需要的条件,所以通过光与特定物质相互作用来改变其偏振态,例如:折射,反射原理,光学特性中可以将其光束分为相互垂直的两束线偏振光,选择其中一束即可。

  在实验中,因为测量仪器会产生系统误差,从而导致布儒斯特角测量时的不够准确,且以特殊角度入射实用性不强,所以选用线起偏器获得线偏振光。

  3实验仪器的选择

  测量系统的三个部分分别是:光源部分、光传输部分和数据采集部分。

  3.3.1光源部分的选取

  对于光源部分而言,激光光源和起偏器组成了光源部分。选择光源的时候,我们应当把握好一下几点:一是要确保光源足够稳定,具有较强对方向性;二是要求光源具有较强的照度;三是应出射完全偏振光。对于光源部分,我们可以选择He-Ne激光器,这是因为此激光器是相干性和单色性比较高,同时具有较小的体积和简单的结构,且输出能耗非常小。因为气体激光器产生的均匀介质,所以很多气体可以产生理想光束,因此其具有极高的指向性。

  普遍,偏振光是不能直接由某种光源去产生的。只有在一些特殊激光器中才可以实现。不过其存在一定的问题,如不够纯净。会对结构产生一些影响,激光光束的偏振特性也是会收到影响的。尤其是对于布儒斯特窗口激光器来说,其是否存在直接关系到偏振是否稳定。而一些晶体由于具有二向色特性或者双折射特性,输出的偏振光通常稳定性都比较高,且携带的能量也比较充足。所以,我们通常增加一个起偏器用于保障光束具有较强的偏振性。

  3.3.2光传输部分

  平面镜:平面镜的选取对于整个测量系统而言十分重要,因此在选取平面镜时要仔细观察平面镜上是否有汗渍等脏物。选取的平面镜表面需无明显凹凸点,裂痕,汗渍。

  3.3.3数据采集部分

  (1)检偏器:检偏器为偏振片。

  偏振片可以将入射的光源进行改变,通过其本身的特性改为偏振光。这种光学元件的遮蔽性能和穿透性能特别强。偏振片也有有很多类型,例如二向色性,这是某些晶体具备的功能,振动方向的不同也会产生不同的特性。例如常用的H-偏振片,这是种人造的偏振片,是一种网状的化合物,然后在碘的作用下,用硼酸水溶液进行还原,最后再进行拉伸作业,从而使薄膜有规律的把碘分子吸收上去,实现起偏和检偏的功能。

  但是此类偏振片易退偏。还有一种偏振片,它采用天然方解石制作而成。可把一束非偏振光变为一束偏振光。如格兰-汤姆生棱镜,它的透光率和偏光纯度高于其它其它的偏振片,且不易消偏。因此在本实验中选用格兰-汤姆生棱镜为偏振片。

  (2)光照度计:光照度计是整个实验部分重要的仪器,它的精准度直接使得整个实验的结果不准确。因此在实验中选取高精准度的光照度计是十分必要的。

  3.4偏振态的测量方法

  偏振光包括三大类,一是非偏振光;二是完全偏振光;三是部分偏振光。每一类又可以细分为不同的类型,共计有七种类型。入射光束在经过偏振片时,会根据其特性进行分类,分为两个大组:部分椭圆偏振光、圆偏振光、自然光这三个光源分为一组,其余四种为另外一组。下面对具体方法进行阐述。

  我们首先用偏振片,如果说光的强度随之变化,那么该光则为线偏光,如果没有变化,通过调节后进行细致观察,如果说此时存在光强变化,那么该光为椭圆偏振光,当重复以上操作,发现并没有强弱变化,并且偏振片位置不变,那么该光为部分线偏振光,当其在别处产生的光强为最大时,则为部分椭圆偏振光。

  接下来我们继续实验,当一束光为椭圆偏振光时,我们怎样对他进行判断,到底是左旋还是右旋,我们可以通过1/4拨片,先将偏振片放到最大光强位置,然后在放置玻片,此时光轴和光强方向平行,接着要确定光强变化的位置,通过调节偏振片的位置,最后根据光束垂直的状态来确定线偏振光的实际振动方向,观察其所在象限,1和3象限为左旋椭圆偏振光,如果时2,4象限,那么则为右旋椭圆偏振光。

  本实验只考虑为线偏振光情况。

  3.5搭建实验平台及实验步骤

  3.5.1搭建实验平台

  本次研究的前提时入射光的偏振态一定,通过改变入射角来测量出反射光的偏振态,最终得到相位信息。按照图3.1搭建完整的实验平台。

  实验注意事项:在一定要确保不要差生过多误差因素,带好专用手套,防止直接用手触碰表面,保持整个镜面的整洁度;在调节上下螺丝钉时,

  一定要轻慢。在拿去器材时避免触碰到其他物体,避免产生没有必要的经济损失,最后器材要摆放牢固。

  3.5.2实验步骤

  (1)光路调整及入射光的获取:

  将激光器发在指定的支架上,调节好高度,将M,L1,L2处于同一水平线,也就是说,让光束始终和实验平台平行,如图3.2所示。

  图3.2激光出射光束与光学平台平行,调整示意图

  (1)固定好位置后,接着按照图3.1所示加入起偏器,本次实验中我们选取的是偏振片,先在光路中放入偏振片,图3.2为光源部分装置图。

  (2)测量入射光的偏振态:沿光路方向先放入偏振片,转动偏振片一周,同时测量光强度,观察光强是否发生变化,如果发生变化,观察是否有完全消光,并记录消光位置。

  (3)测量不同角度入射时反射光的偏振态:改变入射角度后,在反射光路上沿光路方向先放入偏振片,转动偏振片一周,同时测量光强度,观察光强是否发生变化,如果发生变化,观察是否有完全消光,并记录消光位置。