实验讲义-偏振与双折射实验-20129

偏振与双折射实验实验原理§1偏振光与自然光1.光的偏振现象：偏振是横波特有的现象，如机械横波：缝阑转900后波不能通过——偏振现象.如光波能发生这种现象，就是横波。实验1：演示观察太阳光，看到偏振片透明，将偏振片转过900后，问题：光波是不是横波？!偏振化方向情况不变。偏振片BA//实验2：演示偏振片透明偏振片全黑（消光现象）B绕轴旋转，强度发生变化AB说明了光波是横波！问题：如何解释实验1、2？实验1：转过900后，偏振片仍然透明。2.自然光与偏振光偏振光线偏振光（完全偏振光）部分偏振光椭圆（圆）偏振光（1）线偏振光：光矢量在一个确定的平面内沿一个确定的振动方向振动。（2）部分偏振光：各个振动方向都有，但有一个方向占优势。光振动方向与画面平行光振动方向与画面垂直部分偏振光（3）椭圆（圆）偏振光：一个振动方向，但振动方向随时间变化（变化沿椭圆）椭圆（圆）偏振光（4）自然光（非偏振光）传播方向实际的光源中许多原子同时跃迁独立发光，振动方向各不相同，但机会均等。自然光可分解为两个垂直的、振幅相等的独立光振动。实验1：BA//实验2:偏振片透明偏振片全黑ABB绕轴旋转，强度发生变化偏振片透明绕轴旋转900，情况不变。现在可以解释实验1、2了这是因为入射光是自然光。入射到B片的光是偏振光时，光的横波特性表现出来了。利用选择吸收获得线偏振光M'MN'N起偏器检偏器偏振片的起偏与检偏作用偏振化方向3.如何由自然光获得线偏振光？§2马吕斯定律研究透射光的强度200AI2AI202202020cosAAAAII20cosII10若自然光在a的前方强度是I0，则过a后的强度是(I02)20由马吕斯定律知0180,000270,900maxII0minI讨论§3光的双折射现象1.晶体对光的双折射现象0光：寻常光线，遵循折射定律e光：非常光线，不遵循折射定律方解石CaCO32.双折射现象产生的原因各向同性的介质各方向对光的折射率n相同，不产生双折射对O光：一个折射率对e光：无数个折射率但CaCO3等类各向异性晶体oeCaCO33.几个概念（1）晶体的光轴：是一个特殊的方向，沿着此方向传播的光不发生双折射。沿此方向o、e光速度相同。（2）晶体的主截面：光轴与晶体表面法线组成的平面。（3）光线的主平面：光轴与晶体中光线组成的平面。注意：重点研究：入射光在主截面内的情况10o光e光的主平面不一定相同o光的振动方向o光的主平面e光的振动方向//e光的主平面入射光在主截面内，则o、e光在主截面内。o、e光主平面就与主截面为同一平面。o光振动方向e光振动方向20主平面，主截面不一定相同。（4）负晶体负晶体enn0evv0,n0常数在垂直于光轴的方向上：(min)(max)eenv(min)en晶体的主折射率vcn0vevne变化负晶体4.用惠更斯原理解释双折射现象0ee00e0e重要！5.利用双折射获得线偏振光（1）尼科尔棱镜方解石加拿大树胶551.n（2）格兰——汤姆逊棱镜（略，得到o光）068486.1en658.10neoe（用方解石粘结而成，得到e光）为任意值，合振动的轨迹为一般椭圆044345247223§4波晶片1.椭圆偏振光与圆偏振光的产生)cos(11tAx)cos(22tAy回顾互相垂直的机械振动的合成,2,1,0kk2)12(kk为直线为椭圆为正椭圆k为偶数，振动方向不变。k为奇数振动方向改变2。2A1=A2为圆若相同，恒定，振动方向互相垂直，且k21EE合振动为任一椭圆正椭圆圆10自然光在双折射晶体中产生的o光、e光叠加，能否产生椭圆偏振光？20由线偏振光在双折射晶体中分成的o光、e光可能产生椭圆偏振光。从双折射晶体中出射的o光e光有恒定位相差。)cos()cos(2211tEEtEEyx2)12(k对光振动：不能！出射光仍为自然光。oe讨论获得椭圆和圆偏振光的光路图M'MC'CAoAeAd光轴oesincosAAAAoeenn020,2,1kk*k时晶片出来的光是椭圆偏振光，*=k时，(k=1,2…)仍为线偏振光。k为偶数，振动方向不变。k为奇数振动方向改变2。AA0Aeabd光轴主平面k若=450时，Ae=A0，是圆偏振光。edndn00光e光从b面出射时，光程差和位相差分别为：)(20ennd2.波晶片：（1）/2波片：晶片的厚度为d，使光程差为/2。2)(0ennd2)(0ennd符合k入射光是线偏振光时，从/2波片中出来（2）/4波片：晶片的厚度为d，使光程差为/4。)(20ennd4)(0ennd)(40ennd2)(0ennd符合k入射光是线偏振光时，从/4波片中出来是（1/2波片1/4波片）仍是线偏振光。椭圆偏振光。220自然光与部分偏振光两垂直成分无恒定相位差、而椭圆和圆偏振光两垂直成分有恒定相位差。40椭圆与圆偏振光（长轴或短轴平行于1/4波片的光轴时）经1/4波片后，两垂直成分位相差为'22)12(kk10/2波片、/4波片是对一定的而言的。30自然光、部分偏振光通过/2、/4波片仍然是自然光或部分偏振光。讨论出来的是线偏振光C1P2Pabd3.偏振光的干涉研究在同一平面上振动的两偏振光的干涉偏振片P2附加位相差从C出射的o光、e光通过P2后才会产生通常意义下的干涉。0e1A从C出射的o光、e光能否产生干涉？P1、P2两偏振片的偏振化方向互相垂直放置：abc1A10AeA120AeA2不能！O光、e光振动方向互相垂直，不是相干光。负晶体*晶面上O光、e光的位相相同。*从晶体中出来后，O光、e光位相差为)(0ennd*偏振片P2附加位相差。总min)12(max2kk,2,1k)(0enndmax2)12(kmink,2,1kC1P2P0e1Aabd)(20ennd2从P2出来的光强：22212sincos1cos4IA实验仪器冰洲石激光器偏振片1/4波片1/2波片激光接收器数字光电检流计注意事项1.眼睛请勿直视激光。2.每个器件非常昂贵，请务必小心。实验内容1、观察光学各向异性晶体中的双折射现象2、验证马吕斯定律3、判别/2波片、/4波片4、观测椭圆偏振光通过检偏器的光强实验内容2、4的光路示意图1．怎么用实验的方法来区分自然光，圆偏振光，椭圆偏振光，部分偏振光，线偏振光？2.两片正交偏振片中间再插入一偏振片会有什么现象？怎样解释？3.通过波片后0光e光的位相差与波片的厚度有什么关系？思考题：