透明介质布儒斯特角的测定

实验题目 透明介质布儒斯特角的测定

【实验目的】

1、掌握布儒斯特角测量原理及实验设计思路.

2、利用PASCO 数字实验教学系统测量布儒斯特角.

3、了解布儒斯特角在测量介质折射率中的应用.

【实验仪器】

1、PASCO500仪器系统.

2、He-Ne 激光器1架.

3、D 形棱镜1个.

4、圆形可调偏振片2片.

5、方形偏振片1个.

6、可调狭缝1个.

7、计算机.

【实验原理】

1、布儒斯特角

当非偏振光在非传导介质表面反射和折射时,使反射光和透射光都会发生偏振,它们的偏振状态取决于光的入射角以及反射物质的性质.一般情况下,光线斜入射非传导介质表面时,反射光和透射光都是部分偏振光,且反射光垂直于入射面的电矢量分量比较强,透射光平行于入射面的电矢量分量比较强.但是,当入射角为一特殊值时,反射光会完全偏振,即反射光为平面偏振光,且其电矢量的振动方向垂直于入射面,该特殊角即称为布儒斯特角.

根据菲涅耳反射折射公式以及振幅反射率、透射率的定义式,可得

211212211212

112221112221cos cos tan()cos cos tan()cos cos sin()cos cos sin()p s n n r n n n n r n n θθθθθθθθθθθθθθθθ--⎧==⎪++⎪⎨

--⎪==⎪++⎩

112112

1111222cos cos cos 2cos cos cos p s n t n n n t n n θθθθθθ⎧=⎪+⎪⎨

⎪=

⎪+⎩

为了得到一个较为清晰的印象,如下,给出了光从光密射向光疏以及光从光疏射向光密时,不同入射角的强度

反射率图线.

由右图可以看出,存在那么一个角度,当入射角于此时, p 分量的反射率减小为零,此时

21tan()θθ+=∞,

代入折射定律1122sin sin n i n i =,可得,布儒斯特角

21

arctan p n n θ=

于是, 2

1

tan P n n θ=

,此关系式称为布儒斯特定律.由此还可知,若已知介质1的折射率,只需找到对应于介质2的布儒斯特角,便可求出介质2的折射率.

又由212

21

tan sin sin P P n n n n θθθ⎧

=⎪⎪

⎨⎪=⎪⎩(2θ为折射角)可知, 2sin cos P θθ=,即此时22P πθθ+=,反射光与折射光相互垂直.

2、布儒斯特角的测量

光以布儒斯特角入射两个介质表面时,反射光为电矢量的振动方向垂直于入射面的平面偏振光.因此,让反射光经过一个偏振器,检偏器的偏振方向垂直于入射光的偏振方向,当透射光的强度为零时,则对应的入射角为布儒斯特角.

但实验时,由于偏振片无法完全消光、外界光照的影响等因素,透射光强度并不能减小到零.实验时,使用经过偏振片后的光强与无偏振片使得总光强的比值R 作为判定依据,当R 最小时,即可认为所对应的入射角为测量介质的布儒斯特角.

【实验步骤】

1、仪器摆放于调节

①光具座的两端分别放置传感器与激光器.转动分光角盘,使转动传感器与光具座平行,此时,分光光度计盘应指在180°的位置.

②打开激光器,调节激光器后方的XY 调节螺丝,使激光正好打在光传感器的狭缝中心. ③将偏振片I 转到45︒ (保证相同的S 与P 分量),并置于传感器与激光器之间.

④将偏振片II 放置于偏振片I 与激光器之间,实验时可利用偏振片II 调节实验光强

⑤打开计算机与500PASCO 型平台,将光电传感器的增益开关打到1⨯档.打开桌面上已经编辑好的” Brewsters ”文档,点击”启动”按钮,查看此时光传感器所接收到的光强大小.

⑥将准直狭缝调节到”4号”,并放置在光具座的中间位置(偏振片之前).细调准直狭缝,观察屏幕上的示值,使光电传感器接收到的光强基本达到最大处.

⑦将D 型棱镜放置在布儒斯特角盘的阶梯上,调节布儒斯特角盘,使得激光与棱镜直线边平行(即屏幕上光传感器的示值与没有放上棱镜是基本相同).

至此,仪器调节完毕.再光具座上,仪器的摆放位置应为:激光器-2个偏振片-准直狭缝-分光带盘(带有支臂来固定光电传感器)- D 型棱镜-转动传感器-光电传感器.

2、实验数据采集

①重新点击DataStudio 中的”启动”按钮,此时默认初始位置为90︒.调节偏振片II 使刚刚开始时的光强示值

大于50%,本次实验选取值大于80%.

②转动光传感器使DataStudio 中的角度示数为80︒,转动布儒斯特角盘,使得激光束正好被D 型棱镜反射到光电传感器的狭缝中心.在DataStudio 软件中,点击”保留”以记录此时反射光的总光强0I .

③将事先准备好的方形偏振片放置在光电传感器前方, 点击”保留”记录下此时反射光经过偏振片后的光照强度1I .回车后,查看此时的光照强度比值1

=

I R I . ④继续转动光传感器,并重复步骤②、③.传感器在80︒到60︒的范围内,每次转动以5︒为单位,在60︒到50︒的范围内,每次转动以2︒为单位,小于50︒后再以5︒为单位转动.实验时若光强示数小于10%,则调节光电传感器上的增益按钮使光强尽量大于10%,但实验过程中光强不可大于90%.

⑤数据采集结束后,查看各个数据所对应光照强度比值R ,R 最小处所对应的角度,即为本次实验所测得的棱镜布儒斯特角.

3、实验结束,收拾整理仪器.

【数据处理】

本次实验的实验数据结果如下

布儒斯特角实验数据表格

Ratio-Angle 实验散点图