偏振与双折射实验

4. 用惠更斯原理解释双折射现象
0
e
0
e
0
e
重要！
0 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
68
方解石
0
e
o
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
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。
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？
d
A0
A
主平面
d

Ae A cos
b
Ao A sin
Ae
n0 ne
光轴
a
dn0 dne
0光e光从b面出射时， 光程差和位相差分别为：
* 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。
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
( 2k 1) 2
为椭圆

5
4
3
2
7
4
2
为正椭圆
A1=A2为圆
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
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！ B 绕轴旋转， 强度发生变化
A
B
问题：如何解释实验 1、2 ？
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
现在可以解释实验1、2了
实验1：
这是因为入射光是自然光。 实验2:
A // B
偏振片透明 绕轴旋转900， 情况不变。
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

2 d ( n0 ne ) *从晶体中出来后，O光、 e光位相差为
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。
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
负晶体
c n v
v0 ve , n0 ne
n0 常数
ne变化
在垂直于光轴 的方向上：
v0
负晶体
ve
ve (max)
ne (min)
ne (min)
晶体的主折射率
b
P1
0
C
A1

P2
e
d
b
a
*晶面上O光、 e光 的位相相同。
*偏振片P2 附加位相差 。 2kmax k 1,2, 2 d ( n0 ne ) 总 ( 2k 1)min d ( n0 ne ) ( 2k 1) 2 max k 1,2,
2 2 d ( n0 ne )
若 k
k 1,2, k0
k为偶数，振动方向不变 。 k为奇数振动方向改变 2 。
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 )
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。
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
0, 180
max
0
20 由马吕斯定律知
900 , 270 0 Imin 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 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
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
( 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
A1

e
d
b
a
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。
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。来自获得椭圆和圆偏振光的光路图
M
Ao
A

C
Ae
o e
M
'
光轴
C'
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
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
偏振片的起偏 与检偏作用
M'
N
起偏器
N' 检偏器
§ 2 马吕斯定律
研究透射光的强度

2 I 0 A0 2 IA
讨论
2 I I 0 cos
I A 2 I 0 A0
2
2 A0
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