偏振與雙折射實(shí)驗(yàn)

1、偏振與雙折射實(shí)驗(yàn)偏振與雙折射實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)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(jī)械橫波：偏振是橫波特有的現(xiàn)象，如機(jī)械橫波： 縫闌轉(zhuǎn)縫闌轉(zhuǎn) 90 0 后后 波不能通過(guò)波不能通過(guò) 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(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)1：演示：演示 觀察太陽(yáng)光，觀察太陽(yáng)光， 看到偏看到偏振片透明，將偏振片轉(zhuǎn)過(guò)振片透明，將偏振片轉(zhuǎn)過(guò)900后后 ，問(wèn)題：?jiǎn)栴}： 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(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)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（消光現(xiàn)象）（消光現(xiàn)象）B 繞軸旋轉(zhuǎn)，繞軸旋轉(zhuǎn)， 強(qiáng)度發(fā)生變化強(qiáng)度發(fā)生變化AB說(shuō)明了光波是橫波！說(shuō)明了光波是橫波！問(wèn)題：?jiǎn)栴}：如何解釋實(shí)驗(yàn)如何解釋實(shí)驗(yàn) 1、2 ？實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)1：轉(zhuǎn)過(guò)：轉(zhuǎn)過(guò)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(gè)確定的平面內(nèi)光矢量在一個(gè)確定的平面內(nèi)沿一個(gè)確定的振動(dòng)方向振動(dòng)。沿一個(gè)確定的振動(dòng)方向振動(dòng)。（2）部分偏振光：）部分偏振光：各個(gè)振動(dòng)方向都有，各個(gè)振動(dòng)方向都有，但有一個(gè)方向占優(yōu)勢(shì)。但

3、有一個(gè)方向占優(yōu)勢(shì)。光振動(dòng)方向與畫(huà)面平行光振動(dòng)方向與畫(huà)面平行光振動(dòng)方向與畫(huà)面垂直光振動(dòng)方向與畫(huà)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(gè)振動(dòng)方向，但振動(dòng)方向隨時(shí)間變化（變化沿橢圓）一個(gè)振動(dòng)方向，但振動(dòng)方向隨時(shí)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?qū)嶋H的光源中許多原子同時(shí)實(shí)際的光源中許多原子同時(shí)躍遷獨(dú)立發(fā)光，振動(dòng)方向各躍遷獨(dú)立發(fā)光，振動(dòng)方向各不相同，但機(jī)會(huì)均等。不相同，但機(jī)會(huì)均等。 自然光可分解為兩個(gè)垂直自然光可分解為兩個(gè)垂直的、振幅相等的獨(dú)立光振動(dòng)。的、振幅相等的獨(dú)立光振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)1：B

4、A/實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)2:偏振片透明偏振片透明偏振片全黑偏振片全黑A BB 繞軸旋轉(zhuǎn)，繞軸旋轉(zhuǎn)， 強(qiáng)度發(fā)生變化強(qiáng)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)在可以解釋實(shí)驗(yàn)1、2了了這是因?yàn)槿肷涔馐亲匀还狻＿@是因?yàn)槿肷涔馐亲匀还?。入射到入射到B片的光是偏振光時(shí)，光的橫波特性表現(xiàn)出來(lái)了。片的光是偏振光時(shí)，光的橫波特性表現(xiàn)出來(lái)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MMNN 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

5、究透射光的強(qiáng)度研究透射光的強(qiáng)度200AI 2AI 202202020cosAAAAII 20cosII10 若自然光在若自然光在 a 的前方強(qiáng)度是的前方強(qiáng)度是 I0 ，則過(guò)，則過(guò) a 后的強(qiáng)度是后的強(qiáng)度是 ( I0 2 )20 由馬呂斯定律知由馬呂斯定律知0180, 0 00270,90 0maxII 0min 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(duì)光的雙折射現(xiàn)象晶體對(duì)光的雙折射現(xiàn)象0光：光：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 CaCO32. 雙折射現(xiàn)象產(chǎn)生的原因雙折射現(xiàn)象產(chǎn)生的原因

6、各向同性的介質(zhì)各方向?qū)獾母飨蛲缘慕橘|(zhì)各方向?qū)獾恼凵渎收凵渎蕁相同，不產(chǎn)生雙折射相同，不產(chǎn)生雙折射對(duì)對(duì) O 光：一個(gè)折射率光：一個(gè)折射率 對(duì)對(duì) e 光：無(wú)數(shù)個(gè)折射率光：無(wú)數(shù)個(gè)折射率但但CaCO3等類(lèi)各向異性晶體等類(lèi)各向異性晶體oeCaCO33. 幾個(gè)概念幾個(gè)概念（1）晶體的）晶體的光軸光軸：是一個(gè)特殊的方向，沿著此方向傳播：是一個(gè)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

7、面。：光軸與晶體中光線組成的平面。注意：注意：重點(diǎn)研究：重點(diǎn)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(dòng)方向光的振動(dòng)方向 o 光的主平面光的主平面 e 光的振動(dòng)方向光的振動(dòng)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(dòng)方向光振動(dòng)方向 e光振動(dòng)方向光振動(dòng)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(fù)晶體負(fù)晶體負(fù)晶體負(fù)晶體enn 0evv 0,n0

8、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)eenv(min)en晶體的主折射率晶體的主折射率vcn 0vevne變化變化負(fù)晶體負(fù)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0ee00e0e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）尼科爾棱鏡尼科爾棱鏡方解石方解石加拿大樹(shù)膠加拿大樹(shù)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）068486. 1en658. 10neoe（用方解石粘結(jié)而成，得到（用方解石粘結(jié)而成，得到 e 光）光） 為任意值，合振動(dòng)的軌跡為一般橢圓為任意值，合振動(dòng)的軌跡

9、為一般橢圓 0 4 43 45 2 47 223 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(jī)械振動(dòng)的合成回顧互相垂直的機(jī)械振動(dòng)的合成, 2 , 1 , 0 kk2)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(dòng)方向不變?yōu)榕紨?shù)，振動(dòng)方向不變 。 k為奇數(shù)振動(dòng)方向改變?yōu)槠鏀?shù)振動(dòng)方向改變 2 。 2A1=A2為圓為圓若若 相同，相同， 恒定，振動(dòng)方向互相恒定，振動(dòng)方向互相垂直垂直，且，且 k21EE 合振動(dòng)為合振動(dòng)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

10、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(2211 tEEtEEyx2) 12( k對(duì)光振動(dòng)：對(duì)光振動(dòng)：不能！出射光仍為自然光。不能！出射光仍為自然光。oe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MMCCAoAeA d光軸光軸o e sincosAAAAoeenn 0 2 0, 2 , 1 kk

11、* k 時(shí)晶片出來(lái)的光是時(shí)晶片出來(lái)的光是橢圓偏振光，橢圓偏振光， * = k 時(shí)，時(shí)，(k=1,2) 仍為仍為線偏振光。線偏振光。k為偶數(shù)，振動(dòng)方向不變?yōu)榕紨?shù)，振動(dòng)方向不變 。 k為奇數(shù)振動(dòng)方向改變?yōu)槠鏀?shù)振動(dòng)方向改變 2 。AA0Ae abd光軸光軸主平面主平面 k 若若 =45 0 時(shí)，時(shí)，Ae=A0 ，是圓偏振光。，是圓偏振光。edndn 0 0光光e光從光從b面出射時(shí)，面出射時(shí)，光程差和位相差分別為：光程差和位相差分別為：)(20ennd 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 ennd 2)(0ennd 符

12、合符合 k入射光是線偏振光時(shí)入射光是線偏振光時(shí)，從，從 /2 波片中出來(lái)波片中出來(lái)（2） /4 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。)(20ennd 4)(0 ennd)(40ennd 2)(0ennd 符合符合 k入射光是線偏振光時(shí)入射光是線偏振光時(shí)，從，從 /4 波片中出來(lái)是波片中出來(lái)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(wú)恒定相位差、自然光與部分偏振光兩垂直成分無(wú)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。4

13、0橢圓與圓偏振光（長(zhǎng)軸或短軸平行于橢圓與圓偏振光（長(zhǎng)軸或短軸平行于1/4 波片的光波片的光軸時(shí)）經(jīng)軸時(shí)）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(duì)一定的波片是對(duì)一定的 而言的。而言的。30自然光、部分偏振光通過(guò)自然光、部分偏振光通過(guò) /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(lái)的是線偏振光出來(lái)的是線偏振光C1P2Pabd3. 偏振光的干涉偏振光的干涉研究在同一平面上振動(dòng)的兩偏振光的干涉研究在同一平面上振動(dòng)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

14、出射的出射的 o 光、光、e 光通過(guò)光通過(guò) P2后后才會(huì)產(chǎn)生通常意義下的才會(huì)產(chǎn)生通常意義下的干涉。干涉。0e1A 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： abc1A10AeA120AeA2不能！不能！O光、光、e光振動(dòng)方向互相垂直，光振動(dòng)方向互相垂直，不是相干光。不是相干光。負(fù)晶體負(fù)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(lái)后，從晶體中出來(lái)后，O光光、 e光位相差為光位相差為)(0ennd *偏振片偏振片P2 附加位相差附加位相差 。 總總 min

15、)12(max2 kk, 2 , 1 k )(0enndmax2)12( kmin k, 2 , 1 kC1P2P0e1A abd )(20ennd 2 從從 P2 出來(lái)的光強(qiáng)：出來(lái)的光強(qiáng)：22212sincos1 cos4IA 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)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(jì)數(shù)字光電檢流計(jì)注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)1.眼睛請(qǐng)勿直視激光。眼睛請(qǐng)勿直視激光。2.每個(gè)器件非常昂貴，請(qǐng)務(wù)必小心。每個(gè)器件非常昂貴，請(qǐng)務(wù)必小心。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、觀察光學(xué)各向異性晶體中的雙折射現(xiàn)象、觀察光學(xué)各向異性晶體中的雙折射現(xiàn)象2、驗(yàn)證馬呂斯定律、驗(yàn)證馬呂斯定律3、判別、判別 /2 波片、波片、 /4 波片波片4、觀測(cè)橢圓偏振光通過(guò)檢偏器的光