物理論文-雙折射現(xiàn)象.doc

雙折射現(xiàn)象Double Refraction Phenomenon 摘要：通過上述實驗以及課本的講解，我們知道，雙折射現(xiàn)象是由于e光在各向異性的介質(zhì)中各個方向折射率不相同導(dǎo)致的，由此引出兩個問題：1 同一光源發(fā)出的光為什么有o光和e光的區(qū)別？2 為什么e光在各向異性的介質(zhì)中各個方向折射率會有區(qū)別？Abstract： Through the experiment above and the exposition in the text book,we knew the reason of double refraction phenomenon is that the refractive index of especial light differed in each direction. Thereout we got two questions,1. Why there is ordinary light and especial light from the same lamp-house?2. Why the refractive index of especial light differed in each direction in an anisotropic medium?關(guān)鍵字： 雙折射 單晶體 O光 E光Key Word: Double Refraction Single Crystal Ordinary Light Especial Light 把一塊普通玻璃片放在有字的紙上，通過玻璃片看到的是一個字成一個象。這是通常的光的折射的結(jié)果。如果改用透明的方解石（化學(xué)成分是CaCO3）晶片放到紙上，看到的卻是一個字呈現(xiàn)雙象（如圖1）。這說明光進(jìn)入方解石后分成了兩束。這種一束光射入各向異性介質(zhì)時，折射光分成兩束的現(xiàn)象稱為雙折射現(xiàn)象。 圖1 圖2 同一光源發(fā)出的光經(jīng)過同一介質(zhì)卻分成了兩條光路，這顯然違背了光的折射定律，為了研究這一現(xiàn)象，我們做以下實驗（圖2）。 一束激光垂直射入由方解石制成的晶片，透射光線在光屏上留下兩個光點。若將晶片繞光的入射方向慢慢轉(zhuǎn)動，則其中按原方向傳播的那一束光方向不變，而另一束光隨著晶體的轉(zhuǎn)動繞前一束光旋轉(zhuǎn)。根據(jù)折射定律，入射角i=0時，折射光應(yīng)沿著原方向傳播，可見沿原方向傳播的光束是遵守折射定律的，而另一束卻不遵守。更一般的實驗表明，改變?nèi)肷浣莍時，兩束折射光中的一束恒遵守折射定律，這束光線被稱為尋常光線，通常用o表示，并簡稱o光。另一束光則不遵守折射定律，即當(dāng)入射角i改變時，sini/sinr的比值不是一個常數(shù)，該光束一般也不在入射面內(nèi)。這束光稱為非常光線，并用e表示，簡稱e光。用檢偏器檢驗的結(jié)果表明，o光和e光都是線偏振光。通過上述實驗以及課本的講解，我們知道，雙折射現(xiàn)象是由于e光在各向異性的介質(zhì)中各個方向折射率不相同導(dǎo)致的，由此引出兩個問題：3 同一光源發(fā)出的光為什么有o光和e光的區(qū)別？4 為什么e光在各向異性的介質(zhì)中各個方向折射率會有區(qū)別？ 既然o光和e光都是線偏振光，我們不妨設(shè)想，其區(qū)別是否與其振動方向有關(guān)。 由課本上晶體結(jié)構(gòu)的知識我們知道，各向異性的晶體都會有光軸，o光和e光沿光軸方向傳播時傳播速度相等。在晶體中，某光線的傳播方向和光軸方向所組成的平面叫做該光線的主平面。尋常光線的光振動方向垂直于尋常光線的主平面，非常光線的光振動方向在其主平面內(nèi)。可見o光和e光的區(qū)別的確在于其光矢量（即電矢量）振動方向。有一個光軸的晶體稱為單晶體，下面以單晶體為例來分析o光與e光的區(qū)別。查閱資料表明，單晶體其中的電子存在兩個固有頻率，一個是與光軸的平行方向的振動1，另一個是與光軸垂直方向的振動2。當(dāng)o光射入晶體時（如圖3），其振動方向（圖中實線）與光軸始終垂直，則其頻率與2（圖中虛線）疊加，得到新的頻率3。分析可知，無論光沿哪個方向傳播，3為定值，因此光速為定值。當(dāng)e光沿光軸方向傳播時（如圖4），其振動方向（圖中實線）也垂直于光軸，則其頻率與2（圖中虛線）疊加，得到新的頻率4。則4=3，表明e光沿光軸方向傳播時，其速度與o光相同。 圖3 圖4在上述兩種情況中，光的振動方向未必和2同向，可能存在一定夾角，但2在光振動方向上的分量頻率仍為2，并不影響結(jié)論。當(dāng)e光與光軸成一定夾角入射時（如圖5），可將其振動方向分解成兩個矢量，一個垂直于光軸，另一個平行于光軸。這樣，平行于光軸部分與1疊加，垂直于光軸部分與2疊加，再將疊加后兩垂直方向上的振動疊加得7。分析可知，7與光傳播方向與光軸的夾角有關(guān)，即7與e光在單晶體中的傳播方向有關(guān)，由此說明e光在單晶體中沿各個方向傳播速度不同。限于數(shù)學(xué)，無法給出光速與光傳播方向與光軸夾角的具體關(guān)系，不過由實驗得出，其波面為旋轉(zhuǎn)橢球面（如圖6）。 圖6如此，便定性地解決了上述兩個問題。下面在二維平面內(nèi)分析上面實驗中的光路，如圖7。 圖7 圖8若旋轉(zhuǎn)晶片，分析光路