偏振与双折射实验教材

1、偏振与双折射实验偏振与双折射实验实验原理实验原理1 偏振光与自然光偏振光与自然光1. 光的偏振现象：光的偏振现象：偏振是横波特有的现象，如机械横波：偏振是横波特有的现象，如机械横波： 缝阑转缝阑转 90 0 后后 波不能通过波不能通过 偏振现象偏振现象.如光波能发生这种现象，就是横波。如光波能发生这种现象，就是横波。实验实验1：演示：演示 观察太阳光，观察太阳光， 看到偏看到偏振片透明，将偏振片转过振片透明，将偏振片转过900后后 ，问题：问题： 光波是不是横波？光波是不是横波？!偏振化偏振化方向方向情况不变。情况不变。偏振片偏振片BA/实验实验2：演示：演示偏振片透明偏振片透明偏振片全黑偏振

2、片全黑（消光现象）（消光现象）B 绕轴旋转，绕轴旋转， 强度发生变化强度发生变化AB说明了光波是横波！说明了光波是横波！问题：问题：如何解释实验如何解释实验 1、2 ？实验实验1：转过：转过900后后 ，偏振片仍然透明。偏振片仍然透明。2. 自然光与偏振光自然光与偏振光偏振光偏振光线偏振光（完全偏振光）线偏振光（完全偏振光） 部分偏振光部分偏振光椭圆（圆）偏振光椭圆（圆）偏振光（1）线偏振光：）线偏振光： 光矢量在一个确定的平面内光矢量在一个确定的平面内沿一个确定的振动方向振动。沿一个确定的振动方向振动。（2）部分偏振光：）部分偏振光：各个振动方向都有，各个振动方向都有，但有一个方向占优势。但

3、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平行光振动方向与画面垂直光振动方向与画面垂直部分偏振光部分偏振光（3）椭圆（圆）偏振光：）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）一个振动方向，但振动方向随时间变化（变化沿椭圆）椭圆（圆）偏振光椭圆（圆）偏振光 （4）自然光（非偏振光）自然光（非偏振光）传播方向传播方向实际的光源中许多原子同时实际的光源中许多原子同时跃迁独立发光，振动方向各跃迁独立发光，振动方向各不相同，但机会均等。不相同，但机会均等。 自然光可分解为两个垂直自然光可分解为两个垂直的、振幅相等的独立光振动。的、振幅相等的独立光振动。实验实验1：B

4、A/实验实验2:偏振片透明偏振片透明偏振片全黑偏振片全黑A BB 绕轴旋转，绕轴旋转， 强度发生变化强度发生变化偏振片透明偏振片透明绕轴旋转绕轴旋转900， 情况不变。情况不变。现在可以解释实验现在可以解释实验1、2了了这是因为入射光是自然光。这是因为入射光是自然光。入射到入射到B片的光是偏振光时，光的横波特性表现出来了。片的光是偏振光时，光的横波特性表现出来了。利用利用选择吸收选择吸收获得线偏振光获得线偏振光MMNN 起偏器起偏器检偏器检偏器偏振片的偏振片的起偏起偏 与检偏作用与检偏作用偏振化方向偏振化方向3. 如何由自然光获得线偏振光？如何由自然光获得线偏振光？ 2 马吕斯定律马吕斯定律研

5、究透射光的强度研究透射光的强度200AI 2AI 202202020cosAAAAII 20cosII10 若自然光在若自然光在 a 的前方强度是的前方强度是 I0 ，则过，则过 a 后的强度是后的强度是 ( I0 2 )20 由马吕斯定律知由马吕斯定律知0180, 0 00270,90 0maxII 0min I 讨论讨论 3 光的双折射现象光的双折射现象1. 晶体对光的双折射现象晶体对光的双折射现象0光：光：寻常光寻常光 线，线， 遵循折射定律遵循折射定律 e光：光：非常光非常光 线线 ， 不遵循折射定律不遵循折射定律方解石方解石 CaCO32. 双折射现象产生的原因双折射现象产生的原因

6、各向同性的介质各方向对光的各向同性的介质各方向对光的折射率折射率n相同，不产生双折射相同，不产生双折射对对 O 光：一个折射率光：一个折射率 对对 e 光：无数个折射率光：无数个折射率但但CaCO3等类各向异性晶体等类各向异性晶体oeCaCO33. 几个概念几个概念（1）晶体的）晶体的光轴光轴：是一个特殊的方向，沿着此方向传播：是一个特殊的方向，沿着此方向传播 的光不发生双折射。沿此方向的光不发生双折射。沿此方向o、e光速度相同。光速度相同。（2）晶体的）晶体的主截面主截面：光轴与晶体表面法线组成的平面。：光轴与晶体表面法线组成的平面。（3）光线的）光线的主平面主平面：光轴与晶体中光线组成的平

7、面。：光轴与晶体中光线组成的平面。注意：注意：重点研究：重点研究：入射光在主截面内的情况入射光在主截面内的情况 10 o 光光 e 光的主平面不一定相同光的主平面不一定相同 o 光的振动方向光的振动方向 o 光的主平面光的主平面 e 光的振动方向光的振动方向 / e 光的主平面光的主平面入射光在主截面内入射光在主截面内 ，则，则o、e光在主截面内。光在主截面内。 o、e光主平面就与主截面为同一平面。光主平面就与主截面为同一平面。 o 光振动方向光振动方向 e光振动方向光振动方向20 主平面，主截面不一定相同。主平面，主截面不一定相同。（4） 负晶体负晶体负晶体负晶体enn 0evv 0,n0

8、常数常数 在在垂直于光轴垂直于光轴的方向上：的方向上：(min)(max)eenv(min)en晶体的主折射率晶体的主折射率vcn 0vevne变化变化负晶体负晶体4. 用惠更斯原理解释双折射现象用惠更斯原理解释双折射现象0ee00e0e重要！重要！5. 利用双折射获得线偏振光利用双折射获得线偏振光（1）尼科尔棱镜尼科尔棱镜方解石方解石加拿大树胶加拿大树胶551. n（2）格兰）格兰汤姆逊棱镜（略，得到汤姆逊棱镜（略，得到 o光）光）068486. 1en658. 10neoe（用方解石粘结而成，得到（用方解石粘结而成，得到 e 光）光） 为任意值，合振动的轨迹为一般椭圆为任意值，合振动的轨迹

9、为一般椭圆 0 4 43 45 2 47 223 4 波晶片波晶片1. 椭圆偏振光与圆偏振光的产生椭圆偏振光与圆偏振光的产生)cos(11 tAx)cos(22 tAy回顾互相垂直的机械振动的合成回顾互相垂直的机械振动的合成, 2 , 1 , 0 kk2)12( k k为直线为直线为椭圆为椭圆为正椭圆为正椭圆 k为偶数，振动方向不变为偶数，振动方向不变 。 k为奇数振动方向改变为奇数振动方向改变 2 。 2A1=A2为圆为圆若若 相同，相同， 恒定，振动方向互相恒定，振动方向互相垂直垂直，且，且 k21EE 合振动为合振动为 任一椭圆任一椭圆正椭圆正椭圆圆圆10 自然光在双折射晶体中自然光在双

10、折射晶体中产生的产生的 o 光、光、e 光叠加，光叠加，能否产生椭圆偏振光？能否产生椭圆偏振光？20 由由线偏振光线偏振光在双折射晶体中分成的在双折射晶体中分成的 o 光、光、 e 光光 可能可能产生产生椭圆偏振光。椭圆偏振光。从双折射晶体中出射的从双折射晶体中出射的o光光e光有光有恒定位相差。恒定位相差。)cos()cos(2211 tEEtEEyx2) 12( k对光振动：对光振动：不能！出射光仍为自然光。不能！出射光仍为自然光。oe讨论讨论获得椭圆和圆偏振光的光路图获得椭圆和圆偏振光的光路图MMCCAoAeA d光轴光轴o e sincosAAAAoeenn 0 2 0, 2 , 1 k

11、k* k 时晶片出来的光是时晶片出来的光是椭圆偏振光，椭圆偏振光， * = k 时，时，(k=1,2) 仍为仍为线偏振光。线偏振光。k为偶数，振动方向不变为偶数，振动方向不变 。 k为奇数振动方向改变为奇数振动方向改变 2 。AA0Ae abd光轴光轴主平面主平面 k 若若 =45 0 时，时，Ae=A0 ，是圆偏振光。，是圆偏振光。edndn 0 0光光e光从光从b面出射时，面出射时，光程差和位相差分别为：光程差和位相差分别为：)(20ennd 2. 波晶片：波晶片：（1） /2 波片：晶片的厚度为波片：晶片的厚度为 d ，使光程差为，使光程差为 /2。2)(0 ennd 2)(0ennd

12、符合符合 k入射光是线偏振光时入射光是线偏振光时，从，从 /2 波片中出来波片中出来（2） /4 波片：晶片的厚度为波片：晶片的厚度为 d ，使光程差为，使光程差为 /4。)(20ennd 4)(0 ennd)(40ennd 2)(0ennd 符合符合 k入射光是线偏振光时入射光是线偏振光时，从，从 /4 波片中出来是波片中出来是（ 1/2 波片波片 1/4 波片）波片）仍是仍是线偏振光。线偏振光。椭圆偏振光。椭圆偏振光。 2 20自然光与部分偏振光两垂直成分无恒定相位差、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。而椭圆和圆偏振光两垂直成分有恒定相位差。

13、40椭圆与圆偏振光（长轴或短轴平行于椭圆与圆偏振光（长轴或短轴平行于1/4 波片的光波片的光轴时）经轴时）经1/4 波片后，两垂直成分位相差为波片后，两垂直成分位相差为 22) 12(kk 10 /2 波片波片、 /4 波片是对一定的波片是对一定的 而言的。而言的。30自然光、部分偏振光通过自然光、部分偏振光通过 /2 、 /4 波片仍然是波片仍然是自然光或部分偏振光。自然光或部分偏振光。讨论讨论出来的是线偏振光出来的是线偏振光C1P2Pabd3. 偏振光的干涉偏振光的干涉研究在同一平面上振动的两偏振光的干涉研究在同一平面上振动的两偏振光的干涉 偏振片偏振片P2 附加位相差附加位相差 从从 C

14、 出射的出射的 o 光、光、e 光通过光通过 P2后后才会产生通常意义下的才会产生通常意义下的干涉。干涉。0e1A 从从 C 出射的出射的 o 光、光、e 光光 能否产生干涉能否产生干涉？ P1、P2 两偏振片的偏振化方向互相垂直放置：两偏振片的偏振化方向互相垂直放置： abc1A10AeA120AeA2不能！不能！O光、光、e光振动方向互相垂直，光振动方向互相垂直，不是相干光。不是相干光。负晶体负晶体*晶面上晶面上O光、光、 e光光 的位相相同。的位相相同。*从晶体中出来后，从晶体中出来后，O光、光、 e光位相差为光位相差为)(0ennd *偏振片偏振片P2 附加位相差附加位相差 。 总总

15、min)12(max2 kk, 2 , 1 k )(0enndmax2)12( kmin k, 2 , 1 kC1P2P0e1A abd )(20ennd 2 从从 P2 出来的光强：出来的光强：22212sincos1 cos4IA 实验仪器实验仪器冰洲石冰洲石 激光器激光器 偏振片偏振片 1/4波片波片1/2波片波片 激光接收器激光接收器 数字光电检流计数字光电检流计注意事项注意事项1.眼睛请勿直视激光。眼睛请勿直视激光。2.每个器件非常昂贵，请务必小心。每个器件非常昂贵，请务必小心。实验内容实验内容1、观察光学各向异性晶体中的双折射现象、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、验证马吕斯定律3、判别、判别 /2 波片、波片、 /4 波片波片4、观测椭圆偏振光通过检偏器的光