偏振光的觀測(cè)與研究教案與講稿

大學(xué)物理試驗(yàn) 課程教案課次授課方式

課時(shí)理論課□爭(zhēng)論課□試驗(yàn)課習(xí)題課□其他□ 安排 3授課題目〔教學(xué)章、節(jié)或主題偏振光的觀測(cè)與爭(zhēng)論教學(xué)目的、要求〔分把握、生疏、了解三個(gè)層次：觀看光的偏振現(xiàn)象，加深對(duì)偏振概念的理解．了解偏振光的產(chǎn)生和檢驗(yàn)方法．觀測(cè)布儒斯特角及測(cè)定玻璃折射率．學(xué)會(huì)區(qū)分自然光和圓偏振光、局部偏振光和橢圓偏振光.教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)：重點(diǎn)：了解偏振光的產(chǎn)生和檢驗(yàn)方法．教學(xué)基本內(nèi)容偏振光的根本概念獲得偏振光的常用方法偏振片、波片及其作用觀測(cè)布儒斯特角及測(cè)定玻璃折射率觀看橢圓偏振光和圓偏振光1/2波片時(shí)的現(xiàn)象作業(yè)、爭(zhēng)論題、思考題：1

方法及手段提問抽查學(xué)生預(yù)習(xí)狀況講解試驗(yàn)主要內(nèi)容及留意事項(xiàng)實(shí)物講解介紹儀器設(shè)備及留意事項(xiàng)通過輔導(dǎo)或提示幫助學(xué)生解決試驗(yàn)中遇到的困難和障礙是在平行于入射面內(nèi)還是在垂直于入射面內(nèi)？如何通過一個(gè)偏振片來判別自然光和線偏振光？如何區(qū)分自然光和圓偏振光？如何區(qū)分局部偏振光和橢圓偏振光？課后小結(jié)：指導(dǎo)學(xué)生試驗(yàn)時(shí)，既要面面俱到，事無俱細(xì)進(jìn)展引導(dǎo)，同時(shí)，又要留意切忌課后小結(jié)：指導(dǎo)學(xué)生試驗(yàn)時(shí)，既要面面俱到，事無俱細(xì)進(jìn)展引導(dǎo)，同時(shí)，又要留意切忌包辦代替。從試驗(yàn)材料的選擇、儀器的裝配到操作步驟和技巧，既要科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，以保證現(xiàn)象清楚，結(jié)果正確。學(xué)生的動(dòng)手力氣個(gè)有不同，應(yīng)當(dāng)因材施教，針對(duì)不同的學(xué)生，適當(dāng)加深試驗(yàn)的難度。光的干預(yù)和衍射試驗(yàn)證明白光的波動(dòng)性質(zhì)．本試驗(yàn)將進(jìn)一步說明光是橫波而不是縱波，EH的振動(dòng)方向是垂直于光的傳播方向的．光的偏振性證明白光是橫波，人們通過振光的應(yīng)用已普及工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、國(guó)防等部門．利用偏振光的各種周密儀器，已為科研、工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)技術(shù)的檢驗(yàn)等供給了極有價(jià)值的方法．【試驗(yàn)原理】偏振光的根本概念依據(jù)光的電磁理論，光波就是電磁波，它的電矢量EH相互垂直．兩者均垂直于光的傳播方向．從視覺和感光材料的特性上看，引起視覺和化學(xué)反響的是光的電矢量，通EE和光的傳播方向所構(gòu)成的平面稱為光振動(dòng)面．圖10s內(nèi)各個(gè)方向電矢量的時(shí)間平均值相等，故消滅如圖1〔b〕所示的所謂自然光．有些光的振動(dòng)面如圖1〔c〕所示的局部偏振光．還有一些光，其振動(dòng)面的取向和電矢量的大小隨時(shí)間作有規(guī)章的變化，其電矢量末端在垂直于傳播方向的平面上的移動(dòng)軌跡呈橢圓〔或圓形，這樣的光稱為橢圓偏振光〔或圓偏振光，如圖〔d〕所示．1光波按偏振的分類獲得偏振光的常用方法非金屬鏡面的反射通常自然光在兩種媒質(zhì)的界面上反射和折射時(shí)，反射光和折射光都將成為局部偏振光．但當(dāng)入射角增大到某一特定值0

時(shí)，鏡面反射光成為完全偏振光，其振動(dòng)面垂直于入16-4-2所示，這時(shí)入射角22布儒斯特定律示意圖

稱為布儒斯特角，也稱為起偏角．圖中“偏振光．由布儒斯特定律得：其中n、n1

ntan 0 n1分別為兩種介質(zhì)的折射率．n1.501.770測(cè)定物質(zhì)的折射率．多層玻璃片的折射

560—600當(dāng)自然光以布儒斯特角0

入射到由多層平行玻璃片重疊在一起構(gòu)成的玻璃片堆上時(shí)，的透射光也就接近于振動(dòng)方向平行于入射面的線偏振光．利用偏振片的二向色性起偏將非偏振光變成偏振光的過程稱為起偏．某些有機(jī)化合物晶體〔如硫酸碘奎寧或硫酸奎寧堿由于吸取不完全，所得的偏振光只能到達(dá)確定的偏振度．利用晶體的雙折射起偏自然光通過各向異性的晶體時(shí)將發(fā)生雙折射現(xiàn)象，雙折射產(chǎn)生的尋常光〔o光〕和非尋常光〔e光〕均為線偏振光．o光光矢量的振動(dòng)方向垂直于自己的主截面；e光光矢量的振石膠合成的尼科耳棱鏡能給出一個(gè)有固定振動(dòng)面的線偏振光．偏振片、波片及其作用偏振片檢偏器．依據(jù)馬呂斯定律，強(qiáng)度為I0的線偏振光通過檢偏器后，透射光的強(qiáng)度為：I=I0

cos2式中為入射偏振光的偏振方向與檢偏器偏振方向之間的夾角I00=900時(shí)，透射光強(qiáng)為微小值〔消光狀態(tài)，當(dāng)00<<900時(shí)，透射光強(qiáng)介于最大和最小值之間，如圖3所示，自然光通過起偏器與檢偏器的變化．3光的起偏和檢偏依據(jù)透射光強(qiáng)度變化的狀況，可以區(qū)分線偏振光、自然光和局部偏振光．波片L、外表平行于自身光軸的單軸晶片時(shí)，會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，尋常光〔o光〕和非尋常光(e光)沿同一方向前進(jìn)，但傳播的速度不同．這兩種偏振光通過晶片后，它們的相位差為：2(n n)L o e其中，為入射偏振光在真空中的波長(zhǎng)，nn分別為晶片對(duì)o光和e光的折射率，Lo e為晶片的厚度．xAcosteye

Acos(t0

)從兩式中消去t，經(jīng)三角運(yùn)算后得到合振動(dòng)的方程式為 cos sin2由此式可知，

A2 A2 AAe o e ooa) 當(dāng)k(k0,1,2,yAoAe

x，為線偏振光．b) 當(dāng)(2k1

(k0,1,2,時(shí)，x2

y2

1為正橢圓偏振光在A= A時(shí)，2 A2 A2 o e o為圓偏振光．c) 當(dāng)為其它值時(shí)，為橢圓偏振光．在某一波長(zhǎng)的線偏振光垂直入射到晶片的狀況下，能使 o光和e光產(chǎn)生相位差(2k1)〔的奇數(shù)倍〕的晶片，稱為對(duì)應(yīng)于該單色光的二分之一2波片〔1/2波片〕2

oe光產(chǎn)生相位差(2k1)〔相2 當(dāng)于光程差為4

的奇數(shù)倍〕的晶片，稱為四分之一波片〔1/4波片〕4

波片．本試驗(yàn)中所用波片是對(duì)63280〔He

N激光〕而言的．e4A1/4o光和e光的振幅分別為Asin和Acos1/4波片合成的偏振狀態(tài)也隨角度的變化而不同．圖4線偏振光經(jīng)過1/4波片示意圖 圖5線偏振光經(jīng)過1/2波片示意圖當(dāng)=00時(shí)，獲得振動(dòng)方向平行于光軸的線偏振光e光．當(dāng)=/2時(shí)，獲得振動(dòng)方向垂直于光軸的線偏振光o光．當(dāng)=/4時(shí)，Ae=Ao獲得圓偏振光．當(dāng)1/4波片后為橢圓偏振光．1/4波片獲得橢圓偏振光和圓偏振光．1/2波片后，AeAo的位相差位5兩列光波合成后照舊為線偏振光，但振動(dòng)方向較原方向轉(zhuǎn)動(dòng)了2角度?！驹囼?yàn)儀器】He-Ne激光器，偏振片〔起偏器、檢偏器，1/41/2偏振光試驗(yàn)儀，觀測(cè)布儒斯特角裝置．6試驗(yàn)儀器實(shí)物圖【試驗(yàn)內(nèi)容與步驟】起偏與檢偏鑒別自然光與偏振光，驗(yàn)證馬呂斯定律在光源至光屏的光路上插入起偏器PP在起偏器P1后面再插入檢偏器P2P1的方位,將P23600，觀看光屏上光斑強(qiáng)度的變化狀況．有幾個(gè)消光方位？以硅光電池代替光屏接收P2P在坐標(biāo)紙上作出I~co2關(guān)系曲線．77布儒斯特定律示意圖〔入射光為線偏振光〕在起偏器P后，放入測(cè)布儒斯特角的裝置，然后調(diào)整起偏角度，使透射出來的偏1振光的偏振方向水平〔保證偏振方向在入射面內(nèi)。旋轉(zhuǎn)載物玻璃平板使反射的光束與入射光束重〔即觀看起偏器上的入射光點(diǎn)和反射光點(diǎn)重合，登記此時(shí)載物玻璃平板的初始角 ．1止，登記載物玻璃平板的角度

，重復(fù)測(cè)量三次．22所示，求出0

2

和平均值

，最終依據(jù)tan0

nn 〔nn11

＝1為空氣的折射率〕得出玻璃的折射率n．觀看橢圓偏振光和圓偏振光PP的偏振方向垂直〔P后的光屏上處于消光狀1 2 2態(tài)，在起偏器P1

P2

1/4P2

后的光屏上仍處于消光狀態(tài)〔此時(shí)=00．從00的位置開頭，使檢偏器P轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)可以從屏上光強(qiáng)的變化看到經(jīng)過1/42波片后的光為線偏振光．取=900P2

1/4波片后的光為線偏振光．其振動(dòng)面與00時(shí)的振動(dòng)面垂直．取00900P2

時(shí)屏上光強(qiáng)的變化，其結(jié)果與橢圓偏振光對(duì)應(yīng)．特別是當(dāng)=450時(shí)，P2

轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)屏上光強(qiáng)幾乎不變，這便是圓偏振光對(duì)應(yīng)的狀態(tài)．1/2波片時(shí)的現(xiàn)象8PP的1 2振動(dòng)面為水平〔此時(shí)應(yīng)觀看到消光現(xiàn)象．SP1SP1CP2S光源P起偏器1P檢偏器2圖8 線偏振光通過1/2波片光路圖在P1P2之間插入1/2波片，將C轉(zhuǎn)動(dòng)36o，能看到幾次消光？解釋這一現(xiàn)象．將CP2轉(zhuǎn)動(dòng)360o，觀看到什么現(xiàn)象？由1/2波片后，光變成怎樣的偏振狀態(tài)？P1、P2CC15oP22至消光位置，并記錄P所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度．2連續(xù)將C轉(zhuǎn)15o〔即總轉(zhuǎn)動(dòng)角為30〕記錄A到達(dá)消光所轉(zhuǎn)總角度，依次使45o、60o、75o、90o．記錄P2消光時(shí)所轉(zhuǎn)總角度．從上面試驗(yàn)結(jié)果得出什么規(guī)律？怎么解釋這一規(guī)律．【留意事項(xiàng)】試驗(yàn)中各元件不能用手摸，試驗(yàn)完畢后按規(guī)定位置放好．不要讓激光束直接照耀或反射到眼睛內(nèi)．【數(shù)據(jù)記錄及處理】P與PP與P偏振化12光功率的讀數(shù)方向夾角I〔mW〕試驗(yàn)I/I=cos20理論I/I=cos2000 0.801.001.003000.560.700.754500.260.320.506000.160.200.259000.2020.03玻璃折射率的測(cè)定與計(jì)算0.00C轉(zhuǎn)動(dòng)角度C轉(zhuǎn)動(dòng)角度90oP初始角度2P末角度2142.1o172.9o200.0o233.0o264.5o294.4oP轉(zhuǎn)動(dòng)角度2114.0o28.1o58.9o86.0o119.0o150.5o180.4o載物玻璃平板的角位置布儒斯特角次數(shù)玻璃折射率光垂直入射時(shí)1132.0o78.4o20.6o反射光消光時(shí)75.5o21.5o-35.6o20 256.5o56.9o56.2o10tg0１２３56.53o1.51【思考題】區(qū)分自然光和圓偏振光：假設(shè)用偏振片進(jìn)展觀看時(shí)，光強(qiáng)隨偏振片的轉(zhuǎn)動(dòng)沒有變化，這束光是自然光或圓偏振光。在偏振片之前放1/4玻片，再轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片。假設(shè)強(qiáng)度照舊沒有變化是自然