偏振與雙折射

1、偏振與雙折射第1頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)50分，星期一提綱實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容思考題 第2頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)50分，星期一實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠^察與了解光在各向異性晶體中傳播時(shí)產(chǎn)生 的雙折射現(xiàn)象和規(guī)律觀察光的偏振現(xiàn)象，加深對(duì)其規(guī)律認(rèn)識(shí)了解產(chǎn)生和檢驗(yàn)偏振光的器件及儀器掌握一些光的偏振態(tài)的鑒別方法和測(cè)試技術(shù) 第3頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)50分，星期一實(shí)驗(yàn)原理 自然光與偏振光 雙折射現(xiàn)象二向色性 偏振光的檢驗(yàn) 波片位相延遲器 橢圓偏振光通過(guò)檢偏器的光強(qiáng) 第4頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)50分，星期一自然光與偏振光自然光：光矢量

2、在垂直于傳播方向上的各向分布幾率相等；線偏振光（平面偏振光）： 光矢量方向不變，大小隨相位變化，在垂直于光波傳播方向的平面上光矢量端點(diǎn)軌跡是一直線；圓偏振光（或橢圓偏振光）：光矢量是隨時(shí)間作有規(guī)律的改變，光矢量的末端在垂直于傳播方向的平面上的軌跡是圓（或者橢圓 ）；部分偏振光： 介于偏振光和自然光之間。第5頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)50分，星期一 當(dāng)一束光入射到光學(xué)各向異性的介質(zhì)時(shí)，折射光往往有兩束，這種現(xiàn)象稱為雙折射 雙折射現(xiàn)象圖1 冰洲石的雙折射現(xiàn)象 第6頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)50分，星期一 光在某些晶體中傳播時(shí)，晶體對(duì)o光和e光的吸收是不一樣的，此特性

3、稱為二向色性。利用這一性質(zhì)可以用來(lái)產(chǎn)生線偏振光 二向色性圖2 二向色性 第7頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)50分，星期一起偏器：將自然光變?yōu)槠窆獾钠骷?；檢偏器：用于檢驗(yàn)偏振光的器件。 偏振光的檢驗(yàn) 若線偏振光之光矢量A與主平面的夾角為，如圖3所示，用矢量分解法，我們可以得到o光和e光的電矢量Ao和Ae（注意：起偏器和檢偏器都可以由偏振片來(lái)制作）： 圖3 馬呂斯定律 第8頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)50分，星期一o光和e光之光強(qiáng)分別為檢驗(yàn)：兩個(gè)偏振片的透光軸夾角為，自然光垂直入射。通過(guò)起偏器后，變?yōu)榫€偏振光，其振幅為A。通過(guò)檢偏器后，仍然為線偏振光，但其偏振面轉(zhuǎn)過(guò)了角

4、，其振幅為Ae（ 隨變 ） 圖4 偏振光檢驗(yàn) 第9頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)50分，星期一波片：由雙折射晶體制成的平板狀光學(xué)元件，其光軸平行于表面，也稱位相延遲器。 波片位相延遲器如圖5所示，一平面偏振光垂直入射，光矢量A向上，與光軸夾角為。則入射光在晶片表面即分解為o光和e光，均沿原方向傳播。在晶片中，其傳播速度是不同的。因此o光和e光通過(guò)晶片的時(shí)間可表示為： 圖5 波片 第10頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)50分，星期一這樣二光線通過(guò)晶片就會(huì)有一個(gè)時(shí)間差，進(jìn)而導(dǎo)致光程差，其對(duì)應(yīng)的位相差可表示為： 由上式我們可以將波片分類如下： 第11頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5

5、月20日，1點(diǎn)50分，星期一橢圓偏振光的得到：光通過(guò)起偏器后成為線偏振光。/4波片的光軸與起偏器的光軸夾角只要不是 、 、 。則此線偏振光通過(guò)波片C后就是橢圓偏振光。 橢圓偏振光通過(guò)檢偏器的光強(qiáng)P1、P2 和/4 波片C之光軸如圖6分布。經(jīng)過(guò)P1后得到的線偏振光的光矢量振幅為A，在波片入射面上將被分解為e光和o光，則:圖6 光矢量分解圖 第12頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)50分，星期一Ae、Ao 通過(guò)/4波片C后將產(chǎn)生一位相差通過(guò)C之后的Ae、Ao只有與P2通光面平行之分量Aee，Aoe才能通過(guò)P2，故有： 考慮到Aee與Aoe有一恒定位相差 ，因此它們能夠產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，合成后的

6、光矢量A2為： 第13頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)50分，星期一實(shí)驗(yàn)儀器 本實(shí)驗(yàn)在防震光學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行。重要儀器和器材有：激光器、偏振光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、光電信號(hào)檢測(cè)儀。 偏振光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的各種光學(xué)器件如：冰洲石（亦名方解石，為負(fù)單軸晶體），定光軸冰洲石，起偏器，檢偏器，可調(diào)分束角棱鏡（用來(lái)觀察光的分束現(xiàn)象）,1/2 波片、1/4 波片,托架。 第14頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)50分，星期一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 觀察光學(xué)各向異性晶體中的雙折射現(xiàn)象 觀察o、e 雙輸出的偏振態(tài)，可調(diào)分束角 光強(qiáng)I與（兩偏振器的）夾角的關(guān)系 判別/4波片與/2波片 偏振光態(tài)勢(shì)變換 觀測(cè)橢圓偏振光通過(guò)檢偏器的

7、光強(qiáng) 第15頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)50分，星期一 研究透過(guò)兩偏振器后的光強(qiáng)I與它們透光軸間夾角的關(guān)系 光強(qiáng)I與（兩偏振器的）夾角的關(guān)系1） 將激光束，偏振棱鏡調(diào)至等高、同軸；2） 轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器P2使其與起偏器P1透光軸方向平行，此時(shí)光檢測(cè)器示值最大。在兩偏振器透光軸夾角分別為 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 時(shí)，測(cè)量透射光強(qiáng)I。用極坐標(biāo)作I 曲線，用直角坐標(biāo)紙作I 曲線，并作分析。 第16頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)50分，星期一判別/4波片與/2波片 在正交偏振器光路中，分別插入/4 波片和/2 波片，首先轉(zhuǎn)動(dòng)波片使屏幕上仍然變黑。再轉(zhuǎn)動(dòng)波片，若為/4

8、 波片，則通過(guò)波片后為圓偏振光。轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，光屏上亮斑亮度不變。若為/2 波片，則通過(guò)波片后仍然是線偏振光，但振動(dòng)面轉(zhuǎn)過(guò)，光屏上顯示為亮斑，若將檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng) ，則光屏變黑（為什么）。 提示操作過(guò)程： 第17頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)50分，星期一平面偏振光變換為圓偏振光、橢圓偏振光。圓偏振光、橢圓偏振光變換為平面偏振光。 偏振光態(tài)勢(shì)變換 操作提示：承接判別/4波片與/2波片的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，考慮到/4波片的特點(diǎn)第18頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)50分，星期一1）將激光束，/4 波片，偏振棱鏡調(diào)至等高、同軸，光路如圖7所示 觀測(cè)橢圓偏振光通過(guò)檢偏器的光強(qiáng) 3）插入/4 波片

9、C，轉(zhuǎn)動(dòng)C，使C與P1、P2中的一個(gè)偏振器通光面平行。緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)C一周，觀測(cè)C 的光軸與P1（或P2）透光軸夾角改變時(shí)光強(qiáng)變化圖7 橢圓偏振光檢測(cè) 2）轉(zhuǎn)動(dòng)P2，將P1、P2調(diào)至正交，光屏上無(wú)光斑 第19頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)50分，星期一5）轉(zhuǎn)動(dòng)P2一周，先觀察探測(cè)器反映的光強(qiáng)變化；確定光強(qiáng)的極大值和極小值（即橢圓的長(zhǎng)軸和短軸）位置。然后以極大值處為起始點(diǎn)（ ）。測(cè)量 之關(guān)系。每 測(cè)量1個(gè)點(diǎn)。用極坐標(biāo)作 曲線，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 4）將/4波片C置于正交偏振器P1、P2中，使C 光軸與P1透光軸平行，光屏上應(yīng)消光（可略為轉(zhuǎn)動(dòng)C觀察），轉(zhuǎn)動(dòng)波片C，使 ，此時(shí)橢圓長(zhǎng)軸方向就在1/4波片C的光軸上了（為什么） 第20頁(yè)，共21頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)50分，星期一思考題 怎么用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)區(qū)分自然光、圓偏振光、橢圓偏振光、