光学第三轮实验讲义(201210)

振光
• 线偏振光的图示法

(a)
k

(b)
k
振动方向
振动面
传播方向
2、自然光
• 光矢量对称分布 在与传播方向垂直的平面内，
在所有可能的方向上，E的振幅 都相等，这样的光称为自然光。
总可以分解成两个互相垂直
的、振幅相等的、彼此独立的光
振动。它们之间不存在确定的相
位关系，并各占自然光总光强的
一半。
Ix
(1)与3(1)相同。
(2)将波片(光轴)分别转动=150、450、900时，相
同方向旋转检偏器(偏振片P2)，验证1/4波片使 入射的平面偏振光分别变成椭圆偏振光、圆偏
振光和平面偏振光。
附：关于光轴的确定
• 本实验只要确定光轴与透振方向的夹角。在两 个透振方向正交的偏振片之间，插入波片并绕 光线方向旋转一周时，在四个特定方位(方向) 将出现消光的特性，以帮助校正波片光轴与偏 振片P1之间夹角的零位(零度位置)。
4、椭圆偏振光和圆偏振光
对于线偏振光，光波 场中任意一个场点的光矢 量(电矢量)的端点在波面内 描绘的轨迹为一直线。
• 椭圆偏振光：椭圆偏振光 的相应的轨迹为一椭圆。 如图所示。
E

波面
•圆偏振光：
圆偏振光是椭圆偏振光的一个特例，任
一场点的光矢量大小不变，但方向以角速度
(光波的圆频率)匀角速转动。
实验十四.迈克耳孙干涉仪的调节和使用
一.预习要求：仔细阅读实验十四 P.156~P.166
二.原理
M 2
当 平 面 镜 M1 和 M2 严 格 垂 直 ( 即 M1 和 M2 严 格 平 行 ) 时 ， 产生等倾干涉条纹，所有倾
d
M1
(1)
角为i的入射光，由M1和M2
(2)
反射后，它们的光程差 为 s
P2 偏振片
波片
D 白屏
• (1)本实验只要确定光轴与透振方向的夹角。使 两个偏振片的透振方向正交(消光)，在两偏振片 之间，插入波片并绕光线方向旋转一周时，在
四个特定方位(方向)将出现消光的特性，以帮助 校正波片光轴与偏振片P1之间夹角的零位(零度 位置)。
HeNe激光 P1 偏振片
P2 偏振片
光轴与起偏 消光时波 波片
器透振方向 片指针初 指针
的夹角
始值0 值
检偏器 指针初
始值
150
检偏器转动一周 强弱变化情况
出射光的 偏振态
450
900
实验十四.迈克耳孙干涉仪的调节和使用
理论知识 1、干涉的必要条件
A.频率相同； B.存在相互平行的振动分量； C.位相差恒定。 满足干涉条件的光称为相干光。
明暗按一定规律
光程差 ，因而就保持
排列的干涉图样
稳定的位相差。
产生相干光的两种方法
分振幅法 如薄膜 分波阵面 如法 双缝
设单色光分成两束光，两束相干光在不
同媒质所经历的几何路程为r1、r2，相遇后它 们的相位差为


2
r2
2

r1
1

2 n2r2 n1r1 2
单色平面 波片（e、o） 椭圆偏振光（有
偏振光
恒定位相差）
P
C
S
椭圆偏振器
线偏振光
d
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椭圆偏振 光
• 反射和折射时光的偏振
一、布儒斯特定律 1、现象：一束自然光射到 两种介质的分界面上，发现
i 1
n 1
i
2
n 2
反射光和 折射光
部分偏振光
在特殊 条件下
获得线偏振光的一种方法
2、普通光源的发光机理
（1）自发辐射——这是一种随机过程。 （2）特点——间歇性，随机性。
设两列振动方向相同，频率相同的光波， 在空间某点相遇，(平均相对)光强为
II1I22I1I210 co 2s 1dt
21——相位差
第三项为干涉项，其关键取决于积分因子。 “平均”在于接收器接收的是相应时间内的光
M1
M 2
L S
21
G1 G2
M2
1
2 1
等效性：M2经G1的半反 射表面成虚象于M2，这 样 G1半透明表面到M2 与到M2的光程相等。
E 因此，光束 1 可看作由
M2 面 的 反 射 ， 这 就 形 成了M1和M2之间的空 气薄膜。
M2 M1
i
d 光程差 为
2dcois
内高外低、内疏 外密的圆环.
s1 3
分•
2
1
点在
s•
波
器•
相观 遇察
s 2 3 2 1
S1、S2是两个相干光波源
这样无论原子的
发光如何改变，但任何
1

0
c os 2

1
dt

c os 2

1

位相改变总是同时发生 在这两列波中，这样观
I I1 I2 2 I1I2 cos2 1 察点的位相差就取决于
三.实验内容 1.测定玻璃的布儒斯特角iB和偏振片(1)、(2)的主 截面(透振方向)的确定
(1)如图所示，调 节玻璃平板使反 射光束与入射光 束重合，记下初
始角 1。
圆孔屏 HeNe激光 P 偏振片
G 涂黑玻璃
i
D 白屏
(2)同时转动玻璃平板和起偏器(偏振片)P(使其透 射方向在入射面内)，仔细调节直到反射光消失
波片
D 白屏
(2)将波片(光轴)分别转动 = 300、450、900时，
相同方向旋转检偏器(偏振片P2)，验证1/2波片
使入射的平面偏振光的振动面转过2 角。
HeNe激光 P1 偏振片
P2 偏振片
波片
3.观察平面偏振光透过1/4波片后D的白偏屏 振态
• 分别观察平面偏振光的振动面与1/4波片的光轴 之间的夹角为150、450、900时，波片的出射光 的偏振态。（用白屏接受）
指针所指的角度： _________； • 2号偏振片：当偏振片透振方向为竖直方向时，指
针所指的角度： _________。
3、1/2波片
光轴与起偏 消光时波 波片
器透振方向 片指针初 指针
的夹角
始值0 值
300
检偏器 消光时检 偏振光振
指针初 偏器指针 动面转动
始值
值
角度
450
900
结论
4、1/4波片
2dcois
(1) ( 2 )
M2
当 2dcoi s kk 2 相 相长 消 (k为整 ) 数
旋动手轮使d 读数转盘 M1和M2背后的三个螺丝 微调螺丝
回程误差 很大。
当旋动手轮使d增加时，可见到条纹从中心“涌出”；
当旋动手轮使d减小时，可见到条纹从中心“陷入”。
当考察中心处的条纹时，由于中心处 i=0，所以
反射光与折射光互相垂直
实验十一.偏振现象的观察与分析
一.预习要求：阅读实验十一.P.124~P.131 二.说明： 1.本实验中练习二的内容不做。 2.本实验使用的偏振器件是人造偏振片(聚乙烯
醇材料)，它的出射光不是完全线偏振光(偏振 度P1)。 3.本实验使用的波片质量较差，不是用石英、 方解石做成，而是云母类材料，因此，1/2波 片、1/4波片的误差较明显。 4.针对2、3情况，我们对实验进行了改进。
2(none)d
相位差取决于波 长和波片厚度。
在实际中，最常用的波片是1/4波片和1/2波片，
当 2，
称为1/4波片
当 ，
称为1/2波片
• 振幅

AC
Ao Ae
Ae Acos

Ao

Asin
讨论：（1）
单色自然光 波片（e、o） 自然光（不能形 成稳定的椭圆）

Iy

I 2
x
kz
y
E1
E2
• 自然光的表示法
k
2、部分偏振光
部分偏振光是偏振态介于自然光和线偏振 光之间的光，它的振动方向也是随机地迅速变 化着。但是在某一方向上的振动占有优势，振 幅最大。 与之垂直的方向振幅最小，其振幅情 况可用图表示。
椭圆包络线
最小方向 最大方向
自然光
部分偏振光
为止，记下玻璃平板的角度 2。
圆孔屏
HeNe激光 P 偏振片
布儒斯特角： iB 2 1，
G 涂黑玻璃
i
玻璃的折射率为 n ：tgiB
D 白屏
(3)重复测量三次，求平均值。
(4)由布儒斯特角计算玻璃的折射率n。
(5)偏振片1透射方向在入射面内，记录偏振片1 的透振方向的角度。由偏振片1透射方向可确 定偏振片2透射方向，记录偏振片2的透振方向 的角度。
波片有一个特殊方向，称之为
光轴。它使入射的线偏振光分 成相互垂直的具有一定位相差
•
的两个线偏振光。其中一个线
偏振光的振动方向垂直于光轴， 波片的光轴 另一个平行于光轴。
o光和e光在波片中所经历的光程不同
o光经过的光程：no d e光经过的光程： ne d

v o
v e
d
• 相位差
12
定义：光程 = n r
光程差：
n2r2n1r1
迈克耳逊干涉仪
迈克耳逊干涉仪
L S
M1
G1 G2
M2
1
M1：动镜； M2：固定镜。
1 2
G1: 分 光 板 ， 其 背 面 为 半
E 透G明2:补表偿面板(镀，银其薄厚度层和)，折其 作射用率是与将G入1相射同光，束其分作成用两 束是强补度偿几光乎程相。等的光束。
双折射现象——同一束光线通过折射后 分为两束的现象
波片：
一片单轴晶体的平行平面板，其光轴与表 面平行。
v o
v e
d

v o
v e
d
当一束平行线偏振光光束垂直入射到波片
上，将分解成的o光和e光，o光和e光沿同一方 向传播，但它们的传播速度不同，分别为vo和ve， 折射率分别为no和ne。


I0
I1 I0 2
I2 ?
I2 I1co2s ——马吕斯定律
二、波片
波晶片或相位延迟片
晶体的一个最主要的普遍性质——各向 异性。在光学中，主要是指光沿不同方向具 有不同的传播速率，也就是对于不同方向， 相应的折射率不同。
• 晶体具有双折射现象
•双折射现象
方解石 自然光
e光
O光
双双折折射射
• 注意：本实验所提供的仪器不能完全确定光轴 的方向，只能确定两个正交方向，其中究竟那 一个需要已知光轴的波片来确定，但这不影响 实验。
• 实验数据与结果 1.布儒斯特角：
名称 初始值
次数
1
2
1
布儒斯特角
iB
折射率n
2
玻璃的折射率为 n ：tgiB
2.偏振片透振方向的记录 • 1号偏振片：当偏振片透振方向为横向(水平方向)时，
第三轮实验
1、偏振现象的观测与分析（实验十） 2、迈克耳孙干涉仪的调节和使用（实验十四）
实验十 偏振现象的观察与分析
光波是横波，具有偏振性。 光矢量 = 电场强度矢量
相关基础知识——振动与波
补充知识：

•E
1.平面偏振光(线偏振光)：光矢量 E的振动方向始终在某一方向上。
垂直于图面向 外传播的线偏
2.观察平面偏振光透过半波片后的偏振态
HeNe激光 P1 偏振片
P2 偏振片
波片
D 白屏
• 分别观察平面偏振光的振动面与1/2波片的光轴 之间的夹角为300、450、900时，波片的出射光 的偏振态，验证1/2波片使入射的平面偏振光的
振动面转过2 角。
（用白屏接受）
HeNe激光 P1 偏振片
椭圆偏振光可以分成两个光矢量互相垂 直并具有恒定位相差的线偏振光。
任何偏振态都可以分成两个光矢量互相 垂直的线偏振光。
5. 偏 振 片 （ 器 ） ： 只 让 某 一 振 动方向的光通过。称这一方 向为偏振片的透振方向。
实验：机械波通过狭缝
偏振片的透振 方向
一、偏振片 透振方向
A

A = Acos
强的时间平均值。 “相对”在于波动光学关心的是光强的相对分布。
（1）不相干情况 2 1
P
3
s
•
1
1
2
3
s
•
2
两个独立光波源 ——不相干
10cos21dt0
I I1 I2 2I1 I210 co 2 s1 d I t1 I2
（2）相干情况
经过不同光程
i
2
n 2
2、布儒斯特定律（1813年） 当入射角等于某一特定角 i10 时，反射
光成为振动面垂直于入射面的线偏振光，i12 称为布儒斯特角或起偏角，满足
tan i10

n2 n1
又
sin i10 n2 sin i2 n1
i 10
n 1
i
2
n 2
所以 i10i2 900
线偏振光
两个部分偏振光是什么样的部分偏振光？
反射光的偏振现象是马吕斯在1808年发 现的。实验表明：
(1)反射光是垂直于入射面方向振动的 光矢量较强的部分偏振光。
(2)折射光是平行于入射面方向振动的
光矢量较强的部分偏振光。
讨论在什么特殊条件 下，反射光成为线偏振光？
i 1
n 1
2dk 即dk
2
• 可见：当看到中心处的条纹“涌出”或 “陷入”一个 时，d 就增加或减小了半个波长；当看到中心处的条 纹“涌出”或 “陷入”N个时，d 的增加或减小就是
d N
2
我们只要测出d，就可计算波长： 2d