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实验原理:某些双折射晶体对于光振动垂直于光轴的线偏振光有强烈吸收,而对于光振动平行于光轴的线偏振光吸收很少(吸收o光,通过e光),这种对线偏振光的强烈的选择吸收性质,叫做二向***。具有二向***的晶体叫做偏振片。
偏振片可作为起偏器。自然光通过偏振片后,变为振动面平行于偏振片光轴(透振方向),强度为自然光一半的线偏振光。如图1、PP12图2所示:
A0PP12
θAcosθ0
图2单色自然光线偏光线偏光
图1
图1中靠近光源的偏振片为起偏器,设经过后线偏振光PP11
,振幅为A(图2所示),光强为I。与夹角为,因此经后PPP00212
222的线偏振光振幅为A,Acos,,光强为,I,Acos,,Icos,000此式为马吕斯定律。
实验数据及图形:
1
从图形中可以看出符合余弦定理,数据正确。
,1/4波片作用
实验原理:偏振光垂直通过波片以后,按其振动方向(或振动面)分解为寻常光(o光)和非常光(e光)。它们具有相同的振动频率和固定的相位差(同波晶片的厚度成正比),若将它们投影到同一方向,就能满足相干条件,实现偏振光的干涉。
分振动面的干涉装置如图3所示,M和N是两个偏振片,C是波片,单色自然光通过M变成线偏振光,线偏振光在波片C中分解为o光和e光,最后投影在N上,形成干涉。
MN
C单色自然光
I0
偏振片波片偏振片
图3分振动面干涉装置
考虑特殊情况,当M?N时,即两个偏振片的透振方向垂直时,
I20,(sin2,)(1,cos,)I出射光强为:;当M?N时,即两个偏振,4
片的透振方向平行时,出射光强为:
2
I22220。其中θ为波片光轴I,(1,2sin,cos,,2sin,cos,cos,)//2
与M透振方向的夹角,δ为o光和e光的总相位差(同波晶片的厚度成正比)。改变θ、δ中的任何一个都可以改变屏幕上的光强。
2I0当δ=(2k+1)π(1/2波片)时,cosδ=-1,,,2,sin,I2
2出射光强最大,,出射光强最小;当δ,(1,2,)2sinII//0
=[(2k+1)π]/2(1/4波片)时,cosδ=0,
II2200(sin2,)I,(2,sin2,)I,,。,//44
特别地,利用1/4波片我们还可以得到圆偏振光和椭圆偏振光。当θ=45度时,得到圆偏振光,此时让偏振片N旋转一周,屏幕上光强不变。一般情况下,得到的是椭圆偏振光,让偏振片N旋转一周,屏幕上的光斑“两明两暗”。
实验结果:
半波片实验数据表:
1/4波片实验数据:
结论:线偏振光通过1/4波片后可能变成圆偏振光,椭圆偏振光
3
也有可能仍是线偏振光。
实验原理:线偏振光通过某些物质的溶液后,偏振光的振动面将旋转一定的角度,这种现象称为旋光现象。旋转的角度称为该物质的旋光度。通常用旋光仪来测量物质的旋光度。溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的旋光能力、溶液的性质、溶液浓度、样品管长度、温度及光的波长等有关。当其它条件均固定时,旋光度与溶液浓度C呈线性关系即
,,,C
(5-1)
比例常数与物质旋光能力、溶剂性质、样品管长度、温度及光的波长等有关,C为溶液的浓度。物质的旋光能力用比旋
,t,,,,,l,C光度即旋光率来度量,旋光率用下式表示:
(5-2)
(5-2)式中,右上角的t表示实验时温度(单位:?),是指旋光仪采用的单色光源的波长(单位:nm),θ为测得的旋
0光度(),l为样品管的长度(单位:dm),C为溶液浓度(单位:g/100mL)。
由(5-2)式可知:
偏振光的振动面是随着光在旋光物质中向前进行而逐渐旋转的,因而振动面转过角度θ透过的长度l成正比。振动面转过的角度θ不仅与透过的长度l成正比,而且还与溶液
[14]浓度C成正比。
如果已知待测溶液浓度C和液柱长度l,只要测出旋光度θ就可以计算出旋光率。如果已知液柱长度为l固定值,可依次改变溶液的浓度C,就可以测得相应旋光度θ。并作旋光度与浓度的关系直线θ~C,从直线斜率、液桩长度l及溶液浓度C,可计算出该物质的旋光率;同样,也可以测量旋光性
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溶液的旋光度θ,确定溶液的浓度C。旋光性物质还有右旋和左旋之分。当面对光射来方向观察,如果振动面按顺时针方向旋转,则称右旋物质;如果振动面向逆时针方向旋转,称左旋物质。
测量葡萄糖水溶液的浓度
将已经配置好的装有不同的容积克浓度(单位:g/100mL)的葡萄糖。水溶液的样品管放到样品架上,测出不同浓度C下旋光度值。并同时记录测量环境温度和记录激光波长
葡萄糖水溶液的浓度配制成C、C/2、C/4、C/8,0(纯0000水,浓度为零),共5种试样,浓度C0取30%左右为宜。分别将不用浓度溶液注入相同长度的样品试管中。测量不同浓度样品的旋光度(多次测量取平均)。用最小二乘法对旋光度、溶液浓度进行直线拟合(可以将C作为1个单位考虑),计算出葡萄0
糖的旋光率。也可以以溶液浓度为横坐标,旋光度为纵坐标,绘出葡萄糖溶液的旋光直线,由此直线斜率代入公式(5-2),
t[,]0650求得葡萄糖的旋光率。
数据记录及处理
图形:
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光弹性试验是应用光学方法研究受力构件中应力分布情况的试验,在光测弹性仪上进行,先用具有双折射性能的透明材料制成和实际构件形状相似的模型,受力后,以偏振光透过模型,由于应力的存在,产生光的暂时双折射现象,再透过分析镜后产生光的干涉,在屏幕上显示出具有明暗条纹的映象,根据它即可推算出构件内的应力分布情况,所以这种方法对形状复杂的构件尤为适用。
光弹性实验方法是一种光学的应力测量方法,因为测量是全域性的,所以具有直观性强,能有效而准确地确定受力模型各点的主应力差和主应力方向,并能计算出各点的主应力数值。尤其对构件应力集中系数的确定,光弹性试验法显得特别方便和有效。工程实际中有很多构件,例如工业中的各种机器零件,它们的形状很不规则,载荷情况也很复杂,对这些构件的应力进行理论分析有时非常困难,往往需要实验的方法来解决,光弹性试验就是其中比较直观有效的一种解决方法。
实验原理
光弹性试验是应用光学方法研究受力构件中应力分布情况的试验,在光测弹性仪上进行,先用具有双折射性能的透明材料制
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成和实际构件形状相似的模型,受力后,以偏振光透过模型,由于应力的存在,产生光的暂时双折射现象,再透过分析镜后产生光的干涉,在屏幕上显示出具有明暗条纹的映象,根据它即可推算出构件内的应力分布情况,所以这种方法对形状复杂的构件尤为适用。
图1光弹性试验的光学效应示意图
如图1所示,自然光通过偏振器成为平面偏振光(在A1平面中),平面偏振光垂直地射在模型上某一O点,如果模型未受力,则光线通过后并无改变,但如果O点有应力,这时将出现暂时双折射现象,
,1,2如果图O点的二个主应力和方向已知,则平面偏振光通过受
,1,2力模型O点后,分解成二个与及方向一致的平面偏振光,二
,1,2者之间产生一光程差δ,光程差与主应力差(-)及模型厚度t成正比,即:
,,kt(,1,,2)
式中k为光学常数,与模型材料及光的性质有关。分解了的二束光线通过分析器后重新在BB平面内振动,这样就产生光的于涉现象。我们知道由分析器出来的光线强度
,I,Isin2(2,)sin2(,,/,)
其中λ为光的波长,I为偏振器与模型间偏振光的强度,α为偏振
,1平面A1与主应力的夹角。由上式可见,光强I为零时有以下四种
情况:
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?I=0,这与实际情况不符,因为只有在无光源时I才会是零。
,1,2,1,2?δ=0,由公式可知(-)=0,即=,,,kt(,1,,2)
,1,2符合这些条件的点称为各向同性点。如果==0则称为零
应力点,这种点在模型上皆为黑点(因为光强等于零),例如
,1,2纯弯曲梁上中性轴上各点==0,故模型中性层处为一条
黑线。
?sin(2α)=0,即α=n/2(n=0,1,2,3„„)这说明模型上某点主应力,
方向与偏振镜光轴重合,模型上也呈黑点,这类黑点构成的连续黑线称为等倾线,等倾线上各点的主应力方向都相同,而且偏振镜光轴的方向也就是主应力的方向。
sin,,/,,0?,以公式代人,则,,kt(,1,,2)
,于是可得sin(,/,)kt(,1,,2),0
,1,,2,n,/kt
图2圆偏振光场示意图
,1,,2,nf/t(n=0,1,2,3……)
上式表明,当模型中某点的主应力差值为f/t的整数倍时,则此点在模型上呈黑点,当主应力差为f/t的某同一整数倍的各个暗点,构成连续的黑线称为等差线(在此线上各点的主应力差均相等)。由
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于应力分布的连续性,等差线不仅是连续的,而且它们之间还按一定的次序排列,对应于n=l的等差线称为一级等差线或称一级条纹,对应于n=2的等差线称为二级等差线或二级条纹,依次类推,其中n称为条纹序数,以上是根据光源用单色光讲的。如果光源用白光,则模型上具有相同主应力差的各点则形成颜色相同的光带,所以这时的等差线又称为等色线。由以上讨论可知,根据模型中出现的各向同性点、零应力点、等倾线、等差线(等色线),借助于一些分析计算,就能求出模型中各点应力的大小和方向。从上述基本原理可知,在使用单色光源时,等倾线与等差线都呈黑色,不易辨认,为了消除等倾线以获得清晰的等差线图,在光弹性仪两偏振镜之间装上二块1,4波长片,形成圆偏振光场,可把等倾线消除,只剩下等差线,圆偏振光场如图2所示。
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图3-1对径受压圆盘等差线图图3-2对径受压圆盘等倾线图
观察对径受压圆盘的等差线和等倾线,分别如图3-1和3-2所示。准备实验:光路调节
先将光源、起偏器、检偏器、白屏依次放在导轨上,打开白光光源,仔细调节各个器件的高度,使得整个光路高度比较合适。先确定起偏器为任意偏振方向,然后调节检偏器偏振方向,使其正交,即通过两个偏振片后的光强为最弱。然后调整两个偏振片的距离。观察实验1:观察光弹材料光弹特性
将光弹材料放入已经调整好偏振方向的两偏振片中间,调节光弹材料的高度为合适。观察此时白屏的图像。然后拧紧光弹材料固定架上端的螺母,给光弹材料施加应力,观察此时白屏的图像,注意等差线(等色线)和等倾线的出现。
本实验为验证性试验,没有试验数据。在观察过程中出现实验现象即可。
【实验目的】
1、掌握晶体电光调制的原理和实验方法;
2、学会用实验装置测量晶体的半波电压,绘制晶体特性曲线,计
算电光晶体的消光比和透射率。
【仪器和装置】
电光调制实验系统由光路与电路两大单元组成,如图1所示:
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图1电光调制实验系统结构【实验原理】