實驗講義-偏振與雙折射實驗-2012.9.ppt

1、偏振與雙折射實驗,實驗原理,1 偏振光與自然光,1. 光的偏振現(xiàn)象：,偏振是橫波特有的現(xiàn)象，如機(jī)械橫波：,縫闌轉(zhuǎn) 90 0 后 波不能通過 偏振現(xiàn)象.,如光波能發(fā)生這種現(xiàn)象，就是橫波。,實驗1：演示,觀察太陽光， 看到偏振片透明，將偏振片轉(zhuǎn)過900后 ，,問題： 光波是不是橫波？!,偏振化方向,情況不變。,偏振片,實驗2：演示,偏振片透明,偏振片全黑 （消光現(xiàn)象）,B 繞軸旋轉(zhuǎn)， 強(qiáng)度發(fā)生變化,說明了光波是橫波！,問題：如何解釋實驗 1、2 ？,實驗1：轉(zhuǎn)過900后 ，偏振片仍然透明。,2. 自然光與偏振光,偏振光,線偏振光（完全偏振光） 部分偏振光橢圓（圓）偏振光,（1）線偏振光： 光矢量在

2、一個確定的平面內(nèi)沿一個確定的振動方向振動。,（2）部分偏振光： 各個振動方向都有， 但有一個方向占優(yōu)勢。,（3）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）,橢圓（圓）偏振光,（4）自然光（非偏振光）,實際的光源中許多原子同時躍遷獨(dú)立發(fā)光，振動方向各不相同，但機(jī)會均等。,自然光可分解為兩個垂直 的、振幅相等的獨(dú)立光振動。,實驗1：,實驗2:,偏振片透明,偏振片全黑,B 繞軸旋轉(zhuǎn)， 強(qiáng)度發(fā)生變化,偏振片透明,繞軸旋轉(zhuǎn)900， 情況不變。,現(xiàn)在可以解釋實驗1、2了,這是因為入射光是自然光。,入射到B片的光是偏振光時，光的橫波特性表現(xiàn)出來了。,利用選擇吸收獲得線偏振光,起偏器

3、,檢偏器,偏振片的起偏 與檢偏作用,3. 如何由自然光獲得線偏振光？, 2 馬呂斯定律,研究透射光的強(qiáng)度,10 若自然光在 a 的前方強(qiáng)度是 I0 ，則過 a 后的強(qiáng)度是 ( I0 2 ),20 由馬呂斯定律知,討論, 3 光的雙折射現(xiàn)象,1. 晶體對光的雙折射現(xiàn)象,0光：尋常光 線， 遵循折射定律 e光：非常光 線 ， 不遵循折射定律,方解石 CaCO3,2. 雙折射現(xiàn)象產(chǎn)生的原因 各向同性的介質(zhì)各方向?qū)獾恼凵渎蕁相同，不產(chǎn)生雙折射,對 O 光：一個折射率 對 e 光：無數(shù)個折射率,但CaCO3等類各向異性晶體,CaCO3,3. 幾個概念,（1）晶體的光軸：是一個特殊的方向，沿著此方向傳播

4、 的光不發(fā)生雙折射。沿此方向o、e光速度相同。,（2）晶體的主截面：光軸與晶體表面法線組成的平面。,（3）光線的主平面：光軸與晶體中光線組成的平面。,注意：,重點研究：入射光在主截面內(nèi)的情況,10 o 光 e 光的主平面不一定相同,o 光的振動方向 o 光的主平面,e 光的振動方向 / e 光的主平面,入射光在主截面內(nèi) ，則o、e光在主截面內(nèi)。 o、e光主平面就與主截面為同一平面。 o 光振動方向 e光振動方向,20 主平面，主截面不一定相同。,（4） 負(fù)晶體,負(fù)晶體,n0 常數(shù),在垂直于光軸的方向上：,晶體的主折射率,ne變化,負(fù)晶體,4. 用惠更斯原理解釋雙折射現(xiàn)象,重要！,5. 利用雙折

5、射獲得線偏振光,（1）尼科爾棱鏡,方解石,加拿大樹膠,（2）格蘭湯姆遜棱鏡（略，得到 o光）,e,（用方解石粘結(jié)而成，得到 e 光）, 為任意值，合振動的軌跡為一般橢圓,4 波晶片,1. 橢圓偏振光與圓偏振光的產(chǎn)生,回顧互相垂直的機(jī)械振動的合成,為直線,為橢圓,為正橢圓,k為偶數(shù)，振動方向不變 。 k為奇數(shù)振動方向改變 2 。,A1=A2為圓,若相同， 恒定，振動方向互相垂直，且,合振動為 任一橢圓,正橢圓,圓,10 自然光在雙折射晶體中 產(chǎn)生的 o 光、e 光疊加， 能否產(chǎn)生橢圓偏振光？,20 由線偏振光在雙折射晶體中分成的 o 光、 e 光 可能產(chǎn)生橢圓偏振光。從雙折射晶體中出射的o光e光

6、有恒定位相差。,對光振動：,不能！出射光仍為自然光。,討論,獲得橢圓和圓偏振光的光路圖,* k 時晶片出來的光是橢圓偏振光，,* = k 時，(k=1,2) 仍為線偏振光。,k為偶數(shù)，振動方向不變 。 k為奇數(shù)振動方向改變 2 。,A,A0,Ae,a,光軸,主平面,=45 0 時，Ae=A0 ，是圓偏振光。,0光e光從b面出射時，光程差和位相差分別為：,2. 波晶片：,（1） /2 波片：晶片的厚度為 d ，使光程差為 /2。,符合,入射光是線偏振光時，從 /2 波片中出來,（2） /4 波片：晶片的厚度為 d ，使光程差為 /4。,符合,入射光是線偏振光時，從 /4 波片中出來是,（ 1/2

7、 波片 1/4 波片）,仍是線偏振光。,橢圓偏振光。,20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。,40橢圓與圓偏振光（長軸或短軸平行于1/4 波片的光軸時）經(jīng)1/4 波片后，兩垂直成分位相差為,10 /2 波片、 /4 波片是對一定的 而言的。,30自然光、部分偏振光通過/2 、 /4 波片仍然是自然光或部分偏振光。,討論,出來的是線偏振光,3. 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P2 附加位相差 ,從 C 出射的 o 光、e 光通過 P2后才會產(chǎn)生通常意義下的干涉。,從 C 出射的 o 光、e 光 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：,不能！O光、e光振動方向互相垂直，不是相干光。,負(fù)晶體,*晶面上O光、 e光 的位相相同。,*從晶體中出來后，O光、 e光位相差為,*偏振片P2 附加位相差 。,從 P2 出來的光強(qiáng)：,實驗儀器,冰洲石 激光器 偏振片 1/4波片1/2波片 激光接收器 數(shù)字光電檢流計,注意事項,1.眼睛請勿直視激光。 2.每個器件非常昂貴，請務(wù)必小心。,實驗內(nèi)容,1、觀察光學(xué)各向異性晶體中的雙折射現(xiàn)象,2、驗證馬呂斯定律,3、判別/2 波片、 /4 波片,4、觀測橢圓偏振光通過檢偏器的光