实验讲义-偏振与双折射实验.ppt

偏振与双折射实验 实验原理 1 偏振光与自然光 1. 光的偏振现象： 偏振是横波特有的现象，如机械横波： 缝阑转 90 0 后 波不能通过 偏振现象. 如光波能发生这种现象，就是横波。 实验1：演示 观察太阳光， 看到偏 振片透明，将偏振片转过 900后 ， 问题： 光波是不是横波？! 偏振化方向 情况不变。 偏振片 实验2：演示 偏振片透明 偏振片全黑 （消光现象） B 绕轴旋转， 强度发生变化 说明了光波是横波！ 问题：如何解释实验 1、2 ？ 实验1：转过900后 ， 偏振片仍然透明。 2. 自然光与偏振光 偏振光 线偏振光（完全偏振光 ） 部分偏振 光 椭圆（圆）偏振光 （1）线偏振光： 光矢量在一个确定的平面内 沿一个确定的振动方向振动。 （2）部分偏振光： 各个振动方向都有， 但有一个方向占优势。 光振动方向与画面平行 光振动方向与画面垂直 部分偏振光 （3）椭圆（圆）偏振光： 一个振动方向，但振动方向随时间变化（变化沿椭圆） 椭圆（圆）偏振光 （4）自然光（非偏振光） 传播方向 实际的光源中许多原子同时 跃迁独立发光，振动方向各 不相同，但机会均等。 自然光可分解为两个垂直 的、振幅相等的独立光振动。 实验1： 实验2: 偏振片透明 偏振片全黑 B 绕轴旋转， 强度发生变化 偏振片透明 绕轴旋转900， 情况不变。 现在可以解释实验1、2了 这是因为入射光是自然光。 入射到B片的光是偏振光时，光的横波特性表现出来了。 利用选择吸收获得线偏振光 起偏器检偏器 偏振片的起偏 与检偏作用 偏振化方向 3. 如何由自然光获得线偏振光？ 2 马吕斯定律 研究透射光的强度 = 2 0 cosII 10 若自然光在 a 的前方强度是 I0 ，则过 a 后的强度是 ( I0 2 ) 20 由马吕斯定律知 讨论 3 光的双折射现象 1. 晶体对光的双折射现象 0光：寻常光 线， 遵循折射定律 e光：非常光 线 ， 不遵循折射定律 方解石 CaCO3 2. 双折射现象产生的原因 各向同性的介质各方向对光的 折射率n相同，不产生双折射 对 O 光：一个折射率 对 e 光：无数个折射率 但CaCO3等类各向异性晶体 CaCO3 3. 几个概念 （1）晶体的光轴：是一个特殊的方向，沿着此方向传播 的光不发生双折射。沿此方向o、e光速度相同。 （2）晶体的主截面：光轴与晶体表面法线组成的平面。 （3）光线的主平面：光轴与晶体中光线组成的平面。 注意： 重点研究：入射光在主截面内的情况 10 o 光 e 光的主平面不一定相同 o 光的振动方向 o 光的主平面 e 光的振动方向 / e 光的主平面 入射光在主截面内 ，则o、e光在主截面内。 o、e光主平面就与主截面为同一平面。 o 光振动方向 e光振动方向 20 主平面，主截面不一定相同。 （4） 负晶体 负晶体 e n n 0e v v 0 , n0 常数 在垂直于光轴 的方向上： (min) (max) e e n v (min) e n 晶体的主折射率 v c n = ne变化 负晶体 4. 用惠更斯原理解释双折射现象 重要！ 5. 利用双折射获得线偏振光 （1）尼科尔棱镜 方解石 加拿大树胶551. = n （2）格兰汤姆逊棱镜（略，得到 o光） e o e （用方解石粘结而成，得到 e 光） 为任意值，合振动的轨迹为一般椭圆 4 波晶片 1. 椭圆偏振光与圆偏振光的产生 回顾互相垂直的机械振动的合成 为直线 为椭圆 为正椭圆 k为偶数，振动方向不变 。 k为奇数振动方向改变 2 。 A1=A2为圆 若相同， 恒定，振动方向互相垂直，且 k 合振动为 任一椭圆 正椭圆 圆 10 自然光在双折射晶体中 产生的 o 光、e 光叠加， 能否产生椭圆偏振光？ 20 由线偏振光在双折射晶体中分成的 o 光、 e 光 可能 产生椭圆偏振光。从双折射晶体中出射的o光e光有 恒定位相差。 对光振动： 不能！出射光仍为自然光。 讨论 获得椭圆和圆偏振光的光路图 光轴 * k 时晶片出来的光是椭圆偏振光， * = k 时，(k=1,2) 仍为线偏振光。 k为偶数，振动方向不变 。 k为奇数振动方向改变 2 。 A A0 Ae a 光轴 主平面 =45 0 时，Ae=A0 ，是圆偏振光。 0光e光从b面出射时， 光程差和位相差分别为： 2. 波晶片： （1） /2 波片：晶片的厚度为 d ，使光程差为 /2。 符合 入射光是线偏振光时，从 /2 波片中出来 （2） /4 波片：晶片的厚度为 d ，使光程差为 /4。 符合 入射光是线偏振光时，从 /4 波片中出来是 （ 1/2 波片 1/4 波片） 仍是线偏振光。 椭圆偏振光。 20自然光与部分偏振光两垂直成分无恒定相位差、 而椭圆和圆偏振光两垂直成分有恒定相位差。 40椭圆与圆偏振光（长轴或短轴平行于1/4 波片的光 轴时）经1/4 波片后，两垂直成分位相差为 10 /2 波片、 /4 波片是对一定的 而言的。 30自然光、部分偏振光通过/2 、 /4 波片仍然是 自然光或部分偏振光。 讨论 出来的是线偏振光 3. 偏振光的干涉 研究在同一平面上振动的两偏振光的干涉 偏振片P2 附加位相差 从 C 出射的 o 光、e 光通过 P2后 才会产生通常意义下的干涉。 从 C 出射的 o 光、e 光 能否产生干涉？ P1、P2 两偏振片的偏振化方向互相垂直放置： 不能！O光、e光振动方向互相垂直 ，不是相干光。 负晶体 *晶面上O光、 e光 的位相相同。 *从晶体中出来后，O光、 e光位相差为 *偏振片P2 附加位相差 。 从 P2 出来的光强： 实验仪器 冰洲石 激光器 偏振片 1/4波片 1/2波片 激光接收器 数字光电检流计 注意事项 1.眼睛请勿直视激光。 2.每个器件非常昂贵，请务必小心。 实验内容 1、观察光学各向异性晶体中的双折射现象 2、验证马吕斯定律 3、判别/2 波片、 /4 波片 4、观测椭圆偏振光通