偏振與雙折射實驗

1、偏振與雙折射實驗偏振與雙折射實驗 實驗原理實驗原理 1 偏振光與自然光偏振光與自然光 1. 光的偏振現(xiàn)象：光的偏振現(xiàn)象： 偏振是橫波特有的現(xiàn)象，如機械橫波：偏振是橫波特有的現(xiàn)象，如機械橫波： 縫闌轉(zhuǎn)縫闌轉(zhuǎn) 90 0 后后 波不能通過波不能通過 偏振現(xiàn)象偏振現(xiàn)象. 如光波能發(fā)生這種現(xiàn)象，就是橫波。如光波能發(fā)生這種現(xiàn)象，就是橫波。 實驗實驗1：演示：演示 觀察太陽光，觀察太陽光， 看到偏看到偏 振片透明，將偏振片轉(zhuǎn)過振片透明，將偏振片轉(zhuǎn)過 900后后 ， 問題：問題： 光波是不是橫波？光波是不是橫波？! 偏振化偏振化方向方向 情況不變。情況不變。 偏振片偏振片 BA/ 實驗實驗2：演示：演示 偏振

2、片透明偏振片透明 偏振片全黑偏振片全黑 （消光現(xiàn)象）（消光現(xiàn)象） B 繞軸旋轉(zhuǎn)，繞軸旋轉(zhuǎn)， 強度發(fā)生變化強度發(fā)生變化 AB 說明了光波是橫波！說明了光波是橫波！ 問題：問題：如何解釋實驗如何解釋實驗 1、2 ？ 實驗實驗1：轉(zhuǎn)過：轉(zhuǎn)過900后后 ， 偏振片仍然透明。偏振片仍然透明。 2. 自然光與偏振光自然光與偏振光 偏振光偏振光 線偏振光（完全偏振光）線偏振光（完全偏振光） 部分偏振光部分偏振光 橢圓（圓）偏振光橢圓（圓）偏振光 （1）線偏振光：）線偏振光： 光矢量在一個確定的平面內(nèi)光矢量在一個確定的平面內(nèi) 沿一個確定的振動方向振動。沿一個確定的振動方向振動。 （2）部分偏振光：）部分偏振光

3、： 各個振動方向都有，各個振動方向都有， 但有一個方向占優(yōu)勢。但有一個方向占優(yōu)勢。 光振動方向與畫面平行光振動方向與畫面平行 光振動方向與畫面垂直光振動方向與畫面垂直 部分偏振光部分偏振光 （3）橢圓（圓）偏振光：）橢圓（圓）偏振光： 一個振動方向，但振動方向隨時間變化（變化沿橢圓）一個振動方向，但振動方向隨時間變化（變化沿橢圓） 橢圓（圓）偏振光橢圓（圓）偏振光 （4）自然光（非偏振光）自然光（非偏振光） 傳播方向傳播方向 實際的光源中許多原子同時實際的光源中許多原子同時 躍遷獨立發(fā)光，振動方向各躍遷獨立發(fā)光，振動方向各 不相同，但機會均等。不相同，但機會均等。 自然光可分解為兩個垂直自然光

4、可分解為兩個垂直 的、振幅相等的獨立光振動。的、振幅相等的獨立光振動。 實驗實驗1： BA/ 實驗實驗2: 偏振片透明偏振片透明 偏振片全黑偏振片全黑 A B B 繞軸旋轉(zhuǎn)，繞軸旋轉(zhuǎn)， 強度發(fā)生變化強度發(fā)生變化 偏振片透明偏振片透明 繞軸旋轉(zhuǎn)繞軸旋轉(zhuǎn)900， 情況不變。情況不變。 現(xiàn)在可以解釋實驗現(xiàn)在可以解釋實驗1、2了了 這是因為入射光是自然光。這是因為入射光是自然光。 入射到入射到B片的光是偏振光時，光的橫波特性表現(xiàn)出來了。片的光是偏振光時，光的橫波特性表現(xiàn)出來了。 利用利用選擇吸收選擇吸收獲得線偏振光獲得線偏振光 M M N N 起偏器起偏器檢偏器檢偏器 偏振片的偏振片的起偏起偏 與檢偏

5、作用與檢偏作用 偏振化方向偏振化方向 3. 如何由自然光獲得線偏振光？如何由自然光獲得線偏振光？ 2 馬呂斯定律馬呂斯定律 研究透射光的強度研究透射光的強度 2 00 AI 2 AI 2 0 22 0 2 0 2 0 cos A A A A I I 2 0 cosII 10 若自然光在若自然光在 a 的前方強度是的前方強度是 I0 ，則過，則過 a 后的強度是后的強度是 ( I0 2 ) 20 由馬呂斯定律知由馬呂斯定律知 0 180, 0 00 270,90 0max II 0 min I 討論討論 3 光的雙折射現(xiàn)象光的雙折射現(xiàn)象 1. 晶體對光的雙折射現(xiàn)象晶體對光的雙折射現(xiàn)象 0光：光：

6、尋常光尋常光 線，線， 遵循折射定律遵循折射定律 e光：光：非常光非常光 線線 ， 不遵循折射定律不遵循折射定律 方解石方解石 CaCO3 2. 雙折射現(xiàn)象產(chǎn)生的原因雙折射現(xiàn)象產(chǎn)生的原因 各向同性的介質(zhì)各方向?qū)獾母飨蛲缘慕橘|(zhì)各方向?qū)獾?折射率折射率n相同，不產(chǎn)生雙折射相同，不產(chǎn)生雙折射 對對 O 光：一個折射率光：一個折射率 對對 e 光：無數(shù)個折射率光：無數(shù)個折射率 但但CaCO3等類各向異性晶體等類各向異性晶體 o e CaCO3 3. 幾個概念幾個概念 （1）晶體的）晶體的光軸光軸：是一個特殊的方向，沿著此方向傳播：是一個特殊的方向，沿著此方向傳播 的光不發(fā)生雙折射。沿此方向的光不

7、發(fā)生雙折射。沿此方向o、e光速度相同。光速度相同。 （2）晶體的）晶體的主截面主截面：光軸與晶體表面法線組成的平面。：光軸與晶體表面法線組成的平面。 （3）光線的）光線的主平面主平面：光軸與晶體中光線組成的平面。：光軸與晶體中光線組成的平面。 注意：注意： 重點研究：重點研究：入射光在主截面內(nèi)的情況入射光在主截面內(nèi)的情況 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 光的振動方向光的振動方向 o 光的主平面光的主平面 e 光的振動方向光的振動方向 / e 光的主平面光的主平面 入射光在主截面內(nèi)入射光在主截面內(nèi) ，則，則o、e光在主截面內(nèi)。光在主截面內(nèi)。 o、e光主平面就與主

8、截面為同一平面。光主平面就與主截面為同一平面。 o 光振動方向光振動方向 e光振動方向光振動方向 20 主平面，主截面不一定相同。主平面，主截面不一定相同。 （4） 負晶體負晶體 負晶體負晶體 e n n 0e v v 0 , n0 常數(shù)常數(shù) 在在垂直于光軸垂直于光軸 的方向上：的方向上： (min) (max) e e n v (min) e n 晶體的主折射率晶體的主折射率 v c n 0 v e v ne變化變化 負晶體負晶體 4. 用惠更斯原理解釋雙折射現(xiàn)象用惠更斯原理解釋雙折射現(xiàn)象 0 e e0 0e 0 e 重要！重要！ 5. 利用雙折射獲得線偏振光利用雙折射獲得線偏振光 （1）尼

9、科爾棱鏡尼科爾棱鏡 方解石方解石 加拿大樹膠加拿大樹膠551. n （2）格蘭）格蘭湯姆遜棱鏡（略，得到湯姆遜棱鏡（略，得到 o光）光） 0 68 486. 1 e n 658. 1 0 n e o e （用方解石粘結而成，得到（用方解石粘結而成，得到 e 光）光） 為任意值，合振動的軌跡為一般橢圓為任意值，合振動的軌跡為一般橢圓 0 4 4 3 4 5 2 4 7 2 2 3 4 波晶片波晶片 1. 橢圓偏振光與圓偏振光的產(chǎn)生橢圓偏振光與圓偏振光的產(chǎn)生 )cos( 11 tAx )cos( 22 tAy 回顧互相垂直的機械振動的合成回顧互相垂直的機械振動的合成 , 2 , 1 , 0 k k

10、 2 )12( k k 為直線為直線 為橢圓為橢圓 為正橢圓為正橢圓 k為偶數(shù)，振動方向不變?yōu)榕紨?shù)，振動方向不變 。 k為奇數(shù)振動方向改變?yōu)槠鏀?shù)振動方向改變 2 。 2 A1=A2為圓為圓 若若 相同，相同， 恒定，振動方向互相恒定，振動方向互相垂直垂直，且，且 k 21 EE 合振動為合振動為 任一橢圓任一橢圓 正橢圓正橢圓 圓圓 10 自然光在雙折射晶體中自然光在雙折射晶體中 產(chǎn)生的產(chǎn)生的 o 光、光、e 光疊加，光疊加， 能否產(chǎn)生橢圓偏振光？能否產(chǎn)生橢圓偏振光？ 20 由由線偏振光線偏振光在雙折射晶體中分成的在雙折射晶體中分成的 o 光、光、 e 光光 可能可能 產(chǎn)生產(chǎn)生橢圓偏振光。橢圓

11、偏振光。從雙折射晶體中出射的從雙折射晶體中出射的o光光e光有光有 恒定位相差。恒定位相差。 )cos( )cos( 22 11 tEE tEE y x 2 ) 12( k 對光振動：對光振動： 不能！出射光仍為自然光。不能！出射光仍為自然光。 o e 討論討論 獲得橢圓和圓偏振光的光路圖獲得橢圓和圓偏振光的光路圖 M M C C A o A e A d 光軸光軸 o e sin cos AA AA o e e nn 0 2 0 , 2 , 1 k k * k 時晶片出來的光是時晶片出來的光是橢圓偏振光，橢圓偏振光， * = k 時，時，(k=1,2) 仍為仍為線偏振光。線偏振光。 k為偶數(shù)，振

12、動方向不變?yōu)榕紨?shù)，振動方向不變 。 k為奇數(shù)振動方向改變?yōu)槠鏀?shù)振動方向改變 2 。 A A0 Ae a b d 光軸光軸 主平面主平面 k 若若 =45 0 時，時，Ae=A0 ，是圓偏振光。，是圓偏振光。 e dndn 0 0光光e光從光從b面出射時，面出射時， 光程差和位相差分別為：光程差和位相差分別為： )( 2 0e nnd 2. 波晶片：波晶片： （1） /2 波片：晶片的厚度為波片：晶片的厚度為 d ，使光程差為，使光程差為 /2。 2 )( 0 e nnd 2 )( 0e nnd 符合符合 k 入射光是線偏振光時入射光是線偏振光時，從，從 /2 波片中出來波片中出來 （2） /4

13、 波片：晶片的厚度為波片：晶片的厚度為 d ，使光程差為，使光程差為 /4。 )(2 0e nn d 4 )( 0 e nnd )(4 0e nn d 2 )( 0e nnd 符合符合 k 入射光是線偏振光時入射光是線偏振光時，從，從 /4 波片中出來是波片中出來是 （ 1/2 波片波片 1/4 波片）波片） 仍是仍是線偏振光。線偏振光。 橢圓偏振光。橢圓偏振光。 2 20自然光與部分偏振光兩垂直成分無恒定相位差、自然光與部分偏振光兩垂直成分無恒定相位差、 而橢圓和圓偏振光兩垂直成分有恒定相位差。而橢圓和圓偏振光兩垂直成分有恒定相位差。 40橢圓與圓偏振光（長軸或短軸平行于橢圓與圓偏振光（長軸

14、或短軸平行于1/4 波片的光波片的光 軸時）經(jīng)軸時）經(jīng)1/4 波片后，兩垂直成分位相差為波片后，兩垂直成分位相差為 22 ) 12(kk 10 /2 波片波片、 /4 波片是對一定的波片是對一定的 而言的。而言的。 30自然光、部分偏振光通過自然光、部分偏振光通過 /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。 討論討論 出來的是線偏振光出來的是線偏振光 C 1 P2 P a b d 3. 偏振光的干涉偏振光的干涉 研究在同一平面上振動的兩偏振光的干涉研究在同一平面上振動的兩偏振光的干涉 偏振片偏振片P2 附加位相差附加位相差 從從 C 出射的出射的 o 光、光

15、、e 光通過光通過 P2后后 才會產(chǎn)生通常意義下的才會產(chǎn)生通常意義下的干涉。干涉。 0 e 1 A 從從 C 出射的出射的 o 光、光、e 光光 能否產(chǎn)生干涉能否產(chǎn)生干涉？ P1、P2 兩偏振片的偏振化方向互相垂直放置：兩偏振片的偏振化方向互相垂直放置： a b c 1 A 10 A e A 1 20 A e A2 不能！不能！O光、光、e光振動方向互相垂直，光振動方向互相垂直， 不是相干光。不是相干光。 負晶體負晶體 *晶面上晶面上O光、光、 e光光 的位相相同。的位相相同。 *從晶體中出來后，從晶體中出來后，O光、光、 e光位相差為光位相差為 )( 0e nnd *偏振片偏振片P2 附加位

16、相差附加位相差 。 總總 min)12( max2 k k , 2 , 1 k )( 0e nnd max 2 )12( k min k , 2 , 1 k C 1 P2 P 0 e 1 A a b d )(2 0e nnd 2 從從 P2 出來的光強：出來的光強： 222 1 2sincos1 cos4IA 實驗儀器實驗儀器 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 數(shù)字光電檢流計數(shù)字光電檢流計 注意事項注意事項 1.眼睛請勿直視激光。眼睛請勿直視激光。 2.每個器件非常昂貴，請務必小心。每個器件非常昂貴，請務必小心。 實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容 1、觀察光學各向異性晶體中的雙折射現(xiàn)象、觀察光學各向異性晶體中的雙折射現(xiàn)象 2、驗證馬呂斯定律、驗證馬呂斯定律 3、判別、判別 /2 波片、波片、 /4 波片波片 4、