光学教案第5章

1泰山学院物理与电子工程学院教案教研室电光原教研室任课班级2010物理学专业学生人数40教师闫专怀2泰山学院物理与电子工程学院教案电光原教研室教师姓名：闫专怀年月日课程名称光学授课专业和班级2010物理学授课章节与题目第五章光的偏振课时10教学目的1、理解自然光和偏振光，理解线偏振光的产生方法和检验方法。2、掌握马吕斯定律、布儒斯特定律。3、了解双折射现象及所产生的偏振光。4、理解偏振光的干涉原理。教学方法1、采用启发式的教学法，由浅入深的进行教学。2、采用多媒体教学手段：制作与教材配套的课件、运用课件、网络、录像等手段进行教学。教学重点与难点重点：偏振光的定义，用马吕斯定律和布儒斯特定律计算有关光的偏振问题难点：双折射现象的产生机理作业P267页5.2；5.4；5.6；5.8；5.9；5.10；5.11；5.12；5.13；5.15教学小结光的偏振现象说明了光的横波性。本章着重讨论偏振光的产生、检定和干涉。3泰山学院物理与电子工程学院教案电光原教研室教师姓名：闫专怀年月日课程名称光学授课专业和班级2010物理学授课章节与题目5.1自然光与偏振光5.2线偏振光与部分偏振光课时2教学目的1、了解偏振光和自然光的表观区别和内在联系2、理解光的偏振现象是光的横波性最直接的实验证据教学方法1、采用启发式的教学法，由浅入深的进行教学。2、采用多媒体教学手段：制作与教材配套的课件、运用课件、网络、录像等手段进行教学。教学重点与难点重点：偏振光的概念作业P266页5.2教学小结偏振现象只有横波才能产生，偏振光的概念学生接受需要一个过程。4教学过程与内容5.1自然光与偏振光5.1.1光的偏振性1、偏振：振动方向对于传播方向的不对称性；只有横波才有偏振现象。2、偏振态的种类：自然光、部分偏振光、平面偏振光(线偏振光)、圆偏振光和椭圆偏振光3、偏振面：偏振光的振动方向与传播方向组成的面5.1.2自然光与偏振光1、定义：光矢量在与光线垂直的平面内，各个方向机会均等，振幅相等。2、机理：原子自发辐射具有独立性、间歇性和随机性3、图示4、分量表示=5.2线偏振光与部分偏振光5.2.1由二向色性产生的线偏振光1、定义：光在传播过程中电矢量的振动只限于某一确定平面内2、获得方法：自然光通过起偏器3、图是：4、晶体的二向色性、透振方向、偏振片、起偏器、检偏器马吕斯定律：1、描述：平面偏振光通过检振器后，透射光强度随角（线偏振光电矢量的震动方向和起偏器的透振方向的夹角）变化的这种规率2、表达式：5.2.2部分偏振光1、定义：光矢量在与光线垂直的平面内，各个方向机会均等，振幅不相等教学后记52、获得：自然光在介质表面反射，当入射角时反射光的偏振态为部分偏振光3、分量表示：4、图示：5、偏振度布儒斯特定律：1、布儒斯特角2、布儒斯特定律的表达式3、自然光以布儒斯特角入射时反射光为线偏振光5.2.3透射光的偏振态6泰山学院物理与电子工程学院教案电光原教研室教师姓名：闫专怀年月日课程名称光学授课专业和班级2010物理学授课章节与题目5.3光通过单轴晶体时的双折射现象5.4光在晶体中的波面课时2教学目的1、明确单轴晶体的光轴、主截面和振动面的意义；寻常光和非常光的性质2、掌握单轴晶体中的惠更斯作图法确定光在单轴晶体内的传播方向教学方法1、采用启发式的教学法，由浅入深的进行教学。2、采用多媒体教学手段：制作与教材配套的课件、运用课件、网络、录像等手段进行教学。教学重点与难点重点：单轴晶体的双折射现象，寻常光和非常光。作业P267页5.4；5.6教学小结晶体中的光轴是一个十分重要的概念，主截面和主平面的概念学生容易混淆，理解寻常光和非常光的物理含义。7教学过程与内容5.3光通过单轴晶体时的双折射现象5.3.1双折射现象双折射现象（光垂直方解石表面入射时折射光分成两束出射）1、寻常光（o光）：在双折射中遵从折射定律的那束光2、非常光（e光）：双折射中违背折射定律的那束光3、光轴：晶体内存在着一些特殊的方向，沿着这些方向传播的光并不发生双折射，晶体内平行于这些特殊方向的任何直线叫做晶体的光轴5.3.2光轴主平面与主截面1、单轴晶体：只有一个光轴的晶体2、晶体的主平面：在单轴晶体中，包含晶体光轴和一条给定光线的平面叫做与这条光线相对应的晶体的主平面3、晶体的主截面：包含晶体光轴和界面法线的平面叫主截面5.3.3o光和e光的相对光强1、性质：o光和e光都是线偏振光，o光的振动面垂直于自己的主截面，e光的振动面平行自己的主截面，仅当光轴位于入射面内时，这两个主截面才严格地互相重合。2、o光的强度3、e光的强度4、总光强三、例题强度为的自然光，垂直入射到方解石晶体上后又垂直入射到另一块完全相同的晶体上。两块晶体主截面之间的夹角为，试求当分别等于时，最后透射出来的光束的相对强度（不考虑反射、吸收的损失）5.4光在晶体中的波面光在晶体中的波面：1、晶体的微观结构构成晶体的原于、离子或分子可以认为是各向异性的振子。它们在三个完全一定的互相垂直的方向上具有三个一般说来不同的固有频率、和。对于单轴晶体，为平行于晶体的光轴方向的固有振动频率，、为垂直于光轴方向的固有频率。2、o光的波面o光的振动方向垂直于主截面，沿一切方向传播的教学后记8速度都相同，o光的波面是一个球面。3、光的波面e光的振动方向平行于主截面，沿光轴方向的速度为，垂直于光轴方向的速度为，在任何其它方向的传播速度v’介于和之间；E光的波面是旋转椭球面，它和一个主截面的交线是椭圆。4、正晶体：光在正晶体中传播时，e光的速度在除光轴外的任何方向上都比o光小5、负晶体、光在负晶体中传播时，e光的速度在除光轴外的任何方向上都比o光大9泰山学院物理与电子工程学院教案电光原教研室教师姓名：闫专怀年月日课程名称光学授课专业和班级2010物理学授课章节与题目5.5光在晶体中的传播方向5.6偏振器件课时2教学目的3、掌握单轴晶体中光的传播方向4、理解偏振器件的制作原理教学方法1、采用启发式的教学法，由浅入深的进行教学。2、采用多媒体教学手段：制作与教材配套的课件、运用课件、网络、录像等手段进行教学。教学重点与难点重点：尼科耳棱镜的工作原理作业P267页5.8教学小结了解光在晶体中的传播方向，为下一节波片打下基础。尼科耳棱镜是用来获得线偏振光的主要仪器之一，其优点是可以取得严格的线偏振光，且透明无色。10教学过程与内容5.5光在晶体中的传播方向5.5.1单轴晶体内O光与e光的传播方向光在晶体中的传播方向（单轴晶体）1、由作图法确定光光在晶体中的传播方向2、o光的传播方向垂直于o光的波面3、e光的传播方向不垂直于e光的波面（除光轴方向和垂直于光轴方向外）4、几个特殊情况的传播方向（如图）5.5.2单轴晶体的主折射率1、o光的折射率2、e光的主折射率（e光沿垂直于光轴方向传播时）3、讨论对于负晶体，e光的主折射率小于o光的折射率，对于正晶体，反之。四、例题1、书上例题5.6偏振器件元件的原理利用晶体的双折射特性：1、光都是平面偏振光；2、一般来说，两束光的传播速度不一样5.6.1尼科耳棱镜a)结构b)原理c)应用作为起偏器、检偏器d)正交尼科耳e)平行尼科耳5.6.2沃拉斯顿棱镜a)结构教学后记11b)原理5.6.3波片表面平行的单轴晶体，其光轴与晶体表面平行时，o光和e光沿同一方向传播，我们把这祥的晶体叫做波片a)理论计算出射时o光和e光的位相差b)四分之一波片波片的厚度满足时光通过四分之一波片后，o光和e光的位相差。c)半波片晶片的厚度使两束光引入的光程差为引入的位相差为d)半波片的性质入射的平面偏振光的振动面和晶体主截面之间的夹角为时，则透射出来的平面偏振光的振动面从原来的方位转过角。12泰山学院物理与电子工程学院教案电光原教研室教师姓名：闫专怀年月日课程名称光学授课专业和班级2010物理学授课章节与题目5.7椭圆偏振光和园偏振光5.8偏振态的实验检验课时2教学目的5、掌握产生线偏振光、园偏振光和椭圆偏振光的条件6、学会利用波片和检偏器来产生和检定各种偏振光的原理和方法教学方法1、采用启发式的教学法，由浅入深的进行教学。2、采用多媒体教学手段：制作与教材配套的课件、运用课件、网络、录像等手段进行教学。教学重点与难点重点：产生园偏振光和椭圆偏振光的条件难点：偏振态的实验检验作业P267页5.9；5.10；5.11；5.12教学小结椭圆偏振光和园偏振光的产生应注意以下几点：1、入射光必须是严格的线偏振光。2、垂直入射到晶体表面。3、晶体光轴与晶体表面平行，4、对园偏振光还要求入射光的电矢量振动与1/4波片成45°角。13教学过程与内容5.7椭圆偏振光和园偏振光5.7.1椭圆偏振光和园偏振光的描述1、右旋椭圆偏振光2、左旋椭圆偏振光3、图示5.7.2圆偏振光和椭圆偏振光的获得5.7.3自然光改造成椭圆偏振光或园偏振光1、椭圆偏振器：一个恰当取向的起偏器(透振方向不平行也不相互垂直)和一块波晶片的串接组合2、圆偏振器：透振方向与光轴成45度的一个起偏器和一块四分之一波晶片的串接组合椭圆偏振光的3、椭圆偏振光的获得自然光线偏振光椭圆偏振光即自然光椭圆偏振光4、圆偏振光的获得自然光（振动方向与波片光轴成角）线偏振光圆偏振光即自然光圆偏振光5.8偏振态的实验检验5.8.1线偏振光的检验1、线偏振光通过偏振片时透射光的强度是当线偏振光的振动方向和偏振片的透振方之间的夹角2、消光：上试中时，透射光的强度为零。5.8.2园偏振光和椭圆偏振光的检验入射光教学后记14四、例题1、如果一个二分之一波片或四分之一波片的光轴与起偏振器的偏振方向成30度角，试问从二分之一波片还是从四分之一波片透射出来的光将是：（1）线偏振光；（2）圆偏振光；（3）椭圆偏振光？为何？2、在两个正交尼克耳棱镜N1和N2之间垂直插入一块波晶片，发现N2后面有光出射。但当N2绕入射光向顺时针转过后，N2的视场全暗，此时，把波晶片也绕入射光向顺时针转过，N2的视场又亮了，（1）这是什么性质的波晶片；（2）N2要转过多大的角度才能使N2的视场又变为全暗？5.8.3补偿器15泰山学院物理与电子工程学院教案电光原教研室教师姓名：闫专怀年月日课程名称光学授课专业和班级2010物理学授课章节与题目5.9偏振光的干涉课时2教学目的7、理解偏振光的干涉原理教学方法1、采用启发式的教学法，由浅入深的进行教学。2、采用多媒体教学手段：制作与教材配套的课件、运用课件、网络、录像等手段进行教学。教学重点与难点重点：偏振光的干涉原理作业P267页5.13；5.15教学小结偏振光的干涉必须满足频率相同、振动方向基本相同、有恒定的相位差。16教学过程与内容5.9偏振光的干涉5.9.1偏振光干涉的实验装置单色自然光通过一个偏振片以后，垂直射在光轴平行于表面的晶片，从晶片出来的是两束传播方向相同、振动方向相互垂直、频率相等、有恒定相位差的线偏振光。5.9.2线偏振光干涉的强度分布P1∥P2时几种情况：⑴当晶片厚度均匀时，光屏上强度相同。旋转晶片（即改变θ），强度发生变化；旋转偏振片时，强度也发生变化。⑵晶片一定时，∆φ与入射光波长有关。当白光入射时，某些波长的光满足相长干涉条件、某些波长的光满足相消干涉条件、对其他波长的光则有不同程度的加强或减弱，因此出射光有一定颜色。当旋转教学后记22cos2sinsin222122022220AAAAAIeepp21]221[sinsin2221AI平AII21平17晶片或P2时，出射光颜色也发生变化，由于I⊥+I∥=A12，偏振片正交与平行中出现的颜色为互补色。在偏振光干涉中称这种现象为显色偏振。⑶若晶片厚度不均匀，则通过不同厚度处的两种光有不同的相位差，因此将出现干涉条纹，干涉条纹为晶片的等厚度线；当用白光照射时，将出现彩色条纹。显色偏振是鉴定双折射现象的极灵敏的方法。利用显色偏振中形成的干涉图样，可以精确地鉴定矿物的种类、研究晶体的性质。在地质学及矿物学中有广泛地应用。