Transcript 偏振与双折射实验-2012.9

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 90 0 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
偏振化方向
偏振片
问题： 光波是不是横波？!
观察太阳光， 看到偏
振片透明，将偏振片转过
900后 ， 情况不变。
实验1：转过900后 ，
偏振片仍然透明。
实验2：演示
A // B
偏振片透明
偏振片全黑
（消光现象）
说明了光波是横波！
A
B
问题：如何解释实验 1、2 ？
B 绕轴旋转，
强度发生变化
2. 自然光与偏振光
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。
线偏振光（完全偏振光）
部分偏振光
椭圆（圆）偏振光
光振动方向与画面平行
（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） 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。
传播方向
自然光可分解为两个垂直
的、振幅相等的独立光振动。
现在可以解释实验1、2了
实验1：
偏振片透明
绕轴旋转900，
情况不变。
这是因为入射光是自然光。
实验2:
A // B
偏振片透明
偏振片全黑
入射到B片的光是偏振光时，光的横波特性表现出来了。
A B
B 绕轴旋转，
强度发生变化
3. 如何由自然光获得线偏振光？
利用选择吸收获得线偏振光
偏振化方向
M
偏振片的起偏
与检偏作用
M'
起偏器

N
N'
检偏器
§ 2 马吕斯定律
研究透射光的强度

I 0  A02
2
IA
讨论
I
A
  2
I 0 A0
2
2
A0
2

I I 0 cos 
cos 
2
A0
2
10 若自然光在 a 的前方强度是 I0 ，则过 a 后的强度是
( I0  2 )
0  I
I
  0,   180
20 由马吕斯定律知
max
  900 ,   270 0  Imin  0
0
§ 3 光的双折射现象
1. 晶体对光的双折射现象
CaCO3
方解石 CaCO3
o
e
2. 双折射现象产生的原因
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
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
但CaCO3等类各向异性晶体
对 O 光：一个折射率
对 e 光：无数个折射率
3. 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：
10 o 光 e 光的主平面不一定相同
20 主平面，主截面不一定相同。
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
重点研究：入射光在主截面内的情况
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
（4） 负晶体
c
n 
v
负晶体
v0  ve , n0  ne
n0 常数
ne变化
在垂直于光轴
的方向上：
ve
v0
负晶体
ve (max)
ne (min)
ne (min) 
晶体的主折射率
4. 用惠更斯原理解释双折射现象
0
0
e
e
重要！
0
0 e
e
5. 利用双折射获得线偏振光
（1）尼科尔棱镜
（用方解石粘结而成，得到 e 光）
e
e
o
0
68
方解石
n0  1.658
ne  1.486
加拿大树胶
n  1 . 55
（2）格兰——汤姆逊棱镜（略，得到 o光）
§4 波晶片
1. 椭圆偏振光与圆偏振光的产生
回顾互相垂直的机械振动的合成
x  A1 cos(t  1 )
y  A2 cos(t  2 )
 为任意值，合振动的轨迹为一般椭圆
  k
2
  0

4

2
3
4

k  0,1,2,
为直线
  k
为椭圆

  ( 2k  1)
2

5
4
3
7
2
4
2
为正椭圆
A1=A2为圆
k为偶数，振动方向不变 。 k为奇数振动方向改变 2 。
对光振动：
E x  E1 cos(t  1 )
E y  E 2 cos(t   2 )
若相同， 恒定，振动方向互相垂直，且
  k 合振动为
讨论
任一椭圆

  ( 2k  1)
2
E1  E2
正椭圆
圆
10 自然光在双折射晶体中
产生的 o 光、e 光叠加，
e
能否产生椭圆偏振光？
o
不能！出射光仍为自然光。
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。
获得椭圆和圆偏振光的光路图
A
M
Ao
M
'
C

o e
Ae
C'
光轴
d
A0
A
主平面
Ae  A cos 
d
b

Ae
  dn0  dne
光轴

2
   2  d ( n0  ne )


a
Ao  A sin 
n0  ne
0光e光从b面出射时，
光程差和位相差分别为：
若   k
*  k 时晶片出来的光是椭圆偏振光，
=45 0 时，Ae=A0 ，是圆偏振光。
*  = 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 。
k  1,2,
k0
2. 波晶片： （ 1/2 波片 1/4 波片）
（1）  /2 波片：晶片的厚度为 d ，使光程差为 /2。


d ( n0  ne ) 
d 
2
2( n0  ne )
d ( n0  ne )
 
 2


符合
  k
入射光是线偏振光时，从 /2 波片中出来 仍是线偏振光。
（2） /4 波片：晶片的厚度为 d ，使光程差为 /4。


d 
d ( n0  ne ) 
4( n0  ne )
4
d ( n0  ne )

 
 2 

2
符合 
 k
入射光是线偏振光时，从 /4 波片中出来是椭圆偏振光。
讨论
10 /2 波片、 /4 波片是对一定的  而言的。
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。
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。
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
 
  ( 2k  1)   k ' 
2 2
出来的是线偏振光
3. 偏振光的干涉
研究在同一平面上振动的两偏振光的干涉
P1、P2 两偏振片的偏振化方向互相垂直放置：
C
负晶体
P2
P
1
0
a
A1

e
d
b
从 C 出射的 o 光、e 光 能否产生干涉？ a
c
不能！O光、e光振动方向互相垂直，A1
不是相干光。
A1e
A10
偏振片P2 附加位相差 

从 C 出射的 o 光、e 光通过 P2后
A20
A2e
才会产生通常意义下的干涉。
b
C
P1
0
a
A1

P2
e
d
b
*晶面上O光、 e光 的位相相同。
2
d ( n0  ne )
*从晶体中出来后，O光、 e光位相差为

*偏振片P2 附加位相差  。
2kmax k  1,2,
2  d ( n0  ne )  
总 
( 2k  1)min


d ( n0  ne )  ( 2k  1) 2 max k  1,2,
k min
从 P2 出来的光强：
I  2 A sin  cos   1  cos4
2
1
2
2
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
思考题：
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？