光学部分

(n0 ne )l
(9-3)
式中λ为光波在真空中的波长。 2k 的晶片， 2k 称为全波片；者为 半波片（λ/2 波片） ； 2k
为λ/4 片，上面的 k 都是任意整数。不论全 2
波片，半波片或λ/4 片都是对一定波长而言。 以下直角坐标系的选择，是以 e 光振动方向为横轴，o 光振动方向为纵轴。
非线偏振光入射
φb
φb
n1 n2
空气 玻璃
图 9-4
偏振 片
图 9-5
入射 自然光
透射的 平面偏振光
图 9-6
2、晶体起偏器 利用某些晶体的双折射现象来获得线偏振光，如尼科尔棱镜等。 1、偏振片（分子型薄膜偏振片） 聚乙烯醇胶膜内部含有刷状结构的炼状分子。在胶膜被拉伸时，这些炼状分
276
子被拉直并平行排列在拉伸方向上， 拉伸过的胶膜只允许振动取向平行于分子排 列方向（此方向称为偏振片的偏振轴）的光通过，利用它可获得线偏振光，其示 意图参看图 9-6。偏振片是一种常用的“起偏”元件，用它可获得截面积较大的 偏振光束（它就是本实验使用的元件） 。 (三)偏振光的检测 鉴别光的偏振光状态的过程称为检偏，它所用的装置称为检偏器。实际上， 起偏器和检偏器是通用的。用于起偏的偏振片称为起偏振器，把它用于检偏就成 为检偏器了。 按照马吕斯定律，强度为 I0 的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为
图 9-1
图 9-2
图 9-3
（二）获得偏振光的常用方法 将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏，起偏的装置称为起偏器。常用的起 偏装置主要有： 1、反射起偏器（或透射起偏器） 当自然光在两种媒质的界面上反射和折射时， 反射光和折射光都将成为部分
275
偏振光。当入射角达到某一特定值 b 时，反射光成为完全偏振光，其振动面垂 直于入射面（见图 9-4）而角 b 就是布儒斯特角，也称为起偏振角，由布儒斯特 定律得 tg b n2 / n1 (9-1) 例如，当光由空气射向 n=1.54 的玻璃板时， b =57 度。 若入射光以起偏振角 b 射到多层平行玻璃片上，经过多次反射最后透射出 来的光也就接近于线偏振光，其振动面平行于人射面。由多层玻璃片组成的这种 透射起偏振器又称为玻璃片堆。见图 9-5。
2 nel ) 2 Eo Ao cos( t no l ) Ee Ae cos( t
M1 S
Lo Fo
Δ
Le B Fe
M1′
M1〞 图 7- 1 显微镜的工作原理 三． 实验装置 1：小照明光源 S（GY-20D） 2：干版架（SZ-12） 3：微尺 M1（1/10 mm） 4：二维架（SZ-07）或透镜架(SZ-08) 5：物镜 Lo （ f ' 0 =45 mm） 6：二维架 （SZ-07） 7：三维调节架（SZ-16） 8：目镜 Le （ f ' e =29 mm）
2nl N
n N / 2l
（8-1）
若将气室抽真空（室内压强近似于零，折射率 n 1 ） ，再向室内缓慢充气， 同时计数干涉环变化数 N， 由公式 （8-1） 可计算出不同压强下折射率的改变值 n ， 则相应压强下空气折射率
n 1 n
若采取打气的方法增加气室内的粒子（分子和原子）数量，根据气体折射率 的改变量与单位体积内粒子数改变量成正比的规律， 可求出相当于标准状态下的 空气折射率 n0 。 对有确定成分的干燥空气来说， 单位体积内的粒子数与密度 成 正比，于是有
1
2 L
3
4 LK
5
6 7
8
9 10
11 AR
12
13 14 15 M1
16
BS 19 20
0 150
300
18 17 M2
图 8-1
四、实验步骤
1）将各器件夹好，靠拢，调等高。 2）调激光光束平行于台面，按图 8-1 所示，组成迈克耳逊干涉光路（暂不 用扩束器） 。 3）调节反射镜 M1 和 M2 的倾角，直到屏上两组最强的光点重合。 4）加入扩束器，经过微调，使屏上出现一系列干涉圆环。 5）紧握橡胶球反复向气室充气，至血压表满量程（40kPa）为止，记为△p。 6）缓慢松开气阀放气，同时默数干涉环变化数 N，至表针回零。 7）计算实验环境的空气折射率
n n0 1 p p0 (1 t )
于 是 （8-5） 将式（8-1）代入（8-5）得 n0 1 p 0 (1 （8-6）
n0 1 p 0 (1
t)
n p
t)
N 2l p
测出若干不同的 p 所对应的干涉环变化数 N，N- p 关系曲线的斜率即为
271
（8-3） 若实验中 T 不变，对上式求 p 的变化所引起的 n 的变化，则有
n
（8-4）
n0 1 T0 p p0 T
因 T T0 (1 t ) （其中 是相对压力系数，等于 1/273.15 = 3.661×10-3℃
-1
， t 是摄氏温度，即室温）,代入式（8-4）有
M 30 10 ； a
M '
250 f 0, f e,
270
实验八 麦克尔逊干涉仪测定空气折射率
一、实验目的
学习麦克尔逊干涉仪的组装，掌握用于测定空气折射率的原理及其方法。
二、实验原理
在测定空气折射率实验中，若气室内空气压力改变了 p ，折射率随之改变 了 n ，就会导致光程差增大 ，引起干涉条纹 N 个环的变化。设气室内空气柱 长度为 l ，则
273
n 1
N p amb 2l p
其中激光波长 λ和气室长度 l 为已知，环境气压 pamb 从实验室的气压计读 出。本实验应多次测量，干涉环变化数可估计出一位小数。
274
实验九
一、实验目的
偏振光的产生和检测
观察光的偏振现象，分析偏振光，起偏，定光轴 二、实验原理 （一）偏振光的基本概念 光是电磁波，它的电矢量 E 和磁矢量 H 相互垂直，且均垂直于光的传播方 向 K， 通常用电矢量 E 代表代表光的振动方向， 并将电矢量 E 和光的传播方向 K 所构成的平面称为光振动面。在传播过程中，电矢量的振动方向始终在某一确定 方向的光称为平面偏振光或线偏振光，如图 9-1。光源发射的光是由大量原子或 分子辐射构成的。由于大量原子或分子的热运动和辐射的随机性，它们所发射的 光的振动面，出现在各个方面的几率是相同的。故这种光源发射的光对外不显现 偏振的性质，称为自然光，如图 9-2。在发光过程中，有些光的振动面在某个特 定方向上出现的几率大于其他方向，即在较长时间内电矢量在某一方向上较强， 这种的光称为部分偏振光，如图 9-3 所示，还有一些光，其振动面的取向和电矢 量的大小随时间作有规律的变化， 而电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨 迹呈椭圆或圆。这种光称为椭圆偏振光或圆偏振光。
277
沿任意方向振动的光，正入射到波晶片的表面，其振动便按此坐标系分解为 e 分 量和 o 分量。 2.光束通过波片后偏振态的改变 平行光垂直入射到波晶片后，分解为 e 分量和 o 分量，透过晶片，二者间产 生一附加位相差σ。 离开晶片时合成光波的偏振性质， 决定于σ及入射光的性质。 （1）偏振态不变的情形 （i）自然光通过波晶片，仍为自然光。因为自然光的两个正交分量之间的 位相差是无规的，通过波晶片，引入一恒定的位相差σ，其结果还是无规的。 （ii）若入射光为线偏振光，其电矢量 E 平行 e 轴（或 o 轴） ，则任何波长 片对它都不起作用，出射光仍为原来的线偏振光。因为这时只有一个分量，谈不 上振动的合成与偏振态的改变。 除上述二情形外，偏振光通过波晶片，一般其偏振情况是要改变的。 （2）λ/2 片与偏振光 （i）若入射光为线偏振光，在λ/2 片的前面（入射处）上分解为 Ee Ae cos t Eo Ao cos( t ) 出射光表示为
N p
。 p0 和 为已知， t 见温度计显示， 和 l 为已知，一并代入式（8-6）即
可求得相当于热力学标准状态下的空气折射率。 根据式（8-3）求得 p0 代入式（8-4） ，经整理，并联系式（8-1） ，即可得
n 1
N p 2l p
（8-7）
其中的环境气压 p 从实验室的气压计读出，根据（8-7）式，通过实验即可 测得实验环境下的空气折射率。
三、实验装置
1：He-Ne 激光器 L 11：气室 AR
272
2：激光器架 （SZ-42） 3：二维架 （SZ-07） 4：扩束器 BE 5：通用底座（SZ-04） 6：二维平移底座（SZ-02） 7：分束器 BS 8：通用底座 （SZ-04） 9：白屏 H 10：干版架（SZ-12）
H
百度文库
12：二维调节架（SZ-19） 13：通用底座（SZ-04） 14：二维架（SZ-07） 15：平面镜 M1 16：通用底座（SZ-04） 17：通用底座（SZ-04） 18：平面镜 M2 19：二维架（SZ-07） 20：通用底座（SZ-04）
I I 0 cos 2
(9-2)
式中 为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角。显然，当以光线传播方向 为轴转动检偏器时，透射光强度 I 将发生周期性变化。当 =0 度时，透射光强度 最大；当 =90 度时，透射光强度最小（消失状态） ；当 0 度< <90 度时，透射 光强度介于最大值和最小之间。因此，根据透射光强度变化的情况，可以区别光 的不同偏振状态。 （四）偏振光通过波晶片时的情形 1.波晶片 波晶片是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，其表面平行于光轴。 当一束单色平行自然光正入射到波晶片上时， 光在晶体内部便分解为 o 光与 e 光。o 光电矢量垂直与光轴;e 光电矢量平行于光轴。而 o 光和 e 光的传播方向 不变，仍都与表面垂直。但 o 光在晶体内的速度为 v0 ,e 光的为 ve 即相应的折射 率 n0 、 ne 不同。 设晶片的厚度为，则两束光通过晶体后就有位相差
n 1 n0 1 0
（8-2） 式中 0 是空气在热力学标准状态下（T0 =273K，p0 =101,325 Pa）下的密度， n0 是 相应状态下的折射率； n 和 是相对于任意温度 T 和压强 p 下的折射率和密度。 联系理想气体的状态方程，有
pT n 1 0 0 p0T n0 1
269
1 S
2 M1
3
4 Lo
5
7 Le F0 Fe
8 B
9
16
15
14 24cm
13
M2 12 11
10
图 7-2 显微镜实验装置图 四． 实验步骤： 1）参照图 7-1 和图 7-2 布置各器件，并调整等高同轴； 2）将透镜 LO 与 Le 的距离定为 24 cm； 3）沿米尺移动靠近光源毛玻璃的观测物体（微尺 M1） ，从显微镜系统中得到微尺 放大像，并记录光学间隔Δ； 4）在 Le 之后置一与光轴成 45°角的平玻璃板，距此玻璃板 25 cm 处置一白光源 （图中未画出）来照明参考物体（毫米尺 M2） ； 5）微动物镜前的微尺 M1，消除视差，读出未放大的 M2 30 格所对应的 M1 的格数 α； 则显微镜的测量放大率 显微镜的计算放大率
M2
9：45°玻璃架（SZ-45） 10：升降调节座（ SZ-03） 11：双棱镜架（SZ-41） 12：毫米尺 M2（l=30 mm） 13：升降调节座（SZ-03） 14：升降调节座（SZ-03） ） 15：升降调节座（SZ-03） 16：通用底座（SZ-04） 17：白光源（GY-6A） （图中未画出）
实验七 显微镜的组装与调试
一． 实验目的：
了解显微镜的工作原理及结构，并掌握其调节、使用和测量它的放大率的一种方法。 二． 实验原理 显微镜是用来观察微小物体的光学仪器，主要由物镜和目镜组成。如图 7-1 所示，S 为 照明光源，M1 为被观测物体（1/10 分划板） ，Lo 和 Le 分别为物镜和目镜，Δ为光学间隔。M1 放置在物镜前略大于其焦距的地方，然后成一实像 M1′，然后再用目镜 Le 作为放大镜观察此 像 M1′， M1′应成一虚像 M1〞在物镜焦点 Fe 之内， 经过目镜后在明视距离处成一放大地虚像 M1〞。M2 为另一比较观测物体（l=30mm 的毫米分划板） ， M2 经平面反射镜 B 成一等大的虚像。