麦克斯韦指出电磁波是横波，其特征用相互垂直的振动矢量即电场强度 和磁场强度 来表征。横波具有偏振特性，由于光与物质相互作用过程中

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上传 登录 注册 常见问题 光的干涉与衍射现象说明了光的波动特性，麦克斯韦电磁理论进一步揭示了光的横波性质。光具有偏振特性。对光的偏振现象和规律的认识，有利于更好地掌握光在各种介质中的传播特性和规律，现代偏振光技术和激光应用技术涉及到大量偏振光器件，通过本实验可以对偏振光器件、偏光技术有一个基本的了解。 1、 观察与了解光在各向异性晶体中传播时产生的双折射现象和规律。 2、 观察光的偏振现象，掌握偏振光的基本规律。 3、掌握一些光的偏振态的鉴别方法和测试技术。 He－Ne 激光器，PZ-04 偏振光实验仪，偏振片，光电信号检测仪，小型平行光管， 一、自然光与偏振光 1864 年，麦克斯韦在“电磁场的动力论”论文中提出了光振动是电磁振动，光波是电磁波的理论。麦克斯韦指出电磁波是横波，其特征用相互垂直的振动矢量即电场强度 和磁场强度 来表征。横波具有偏振特性，由于光与物质相互作用过程中反应比较明显的是电矢量 ，故此常用 表征光波振动矢量，简称光矢量。如果光矢量只限于一个确定的平面内，则此光波就称为 ，电矢量与传播方向构成的平面称为 。平面偏振光亦称为 。线偏振光在光路中常用图1 表示，图 1（a）表示垂直于纸面的振动，图 1(b)表示平行于纸面的振动。还有一种偏振光，其电矢量不是固定在一个平面内，而是随时间作有规律的改变。电矢量的末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹是圆或者椭圆，这样的光相应的被称为 (a) (b) 图1 线偏振光 或者 。从电磁理论来看，电磁波是偶极子发射产生。一个偶极子振动产生的光是线偏振光，且偶极子在振动面内，从量子观点来看，光波是由原子或分子能级跃迁产生的光子。每个辐射原子或辐射分子都可以看作为一个偶极子。而光源是由很多原子或分子构成，原子或分子趋向随机，因此一般光源发射的光波其振动矢量在垂直于传播方向上的趋向几率相等。这种光就称为 。介于偏振光和自然光之间的还有一种 ，其电矢量在某一确定方向上最强，亦即有更多的电矢量趋于该方向。 二、光在各向异性晶体中的传播，双折射现象 1、双折射现象与基本规律 当一束光入射于光学各向同性介质时将产生一束反射光和一束折射光，反射光和折射光遵循众所周知的反射定律和折射定律。但是当一束光入射到光学各向异性的介质时，折射光往往有两束，这种现象称为 。方解石就是典型的能产生双折射的晶体。 当一块天然方解石（厚度足够大时）放在书本上，我们从上面观察时将会看到字的双重图像，如图 2（a），当转动方解石时，两个图像的位置将发生变化。当一束激光正入射于方解石时，若表面已抛光则将有两束光出射，如图2（b）所示。转动时，e 光将绕o 光转动。对于双折射晶体应注意以下规律。 o 光 （b） (a) He－Ne e 光 图2 方解石的双折射现象 ①、o 光与e 光 对图2（b）所示的两束光作偏振态检查时发现，由于是正入射，其中一束光不偏折，即图中的o 光，它遵守通常的折射定律，称为 （用o 表示）。另一束发生了偏折，即图中的 e 光，它不遵守通常的折射定律，称为 （用 e 表示）。用偏振片检查可以发现，这两束光都是线偏振光，但其振动方向不同，其两束光的电矢量近于垂直。 ②、晶体的光轴 方解石成分是碳酸钙（CaCO3）具有稳定的物理化学性质，透过波段宽，双折射率差大，它属于六角晶系，见图3。其外形不论大小都是斜六面体，每个面都是平行四边形，其钝角为102 O ，锐角为 78 O ，冰洲石的顶点（图中 、B）是由三个钝角面会合组成的。在冰洲石中可以找到一个方向，在这个方向上无双折射现象，这个方向称为晶体的 ，也就是说在光轴方向o光和e光的传播速度、折射率是相等的。通过顶点与三个面的夹角相等的方向即为光轴方向，此处特别强调 这与 102 o 102 o 102 o 78 o 78 o 78 o B 图3 方解石晶体光轴 A 几何光学中的光轴是不同的。 ③、单轴晶体与双轴晶体 如方解石等只有一个光轴的晶体称为 。有一些晶体可以找到二个光轴，即存在二个方向，其o 光与e 光之折射率、传播速度相等，此种晶体称为 。双轴晶体有云母、蓝宝石、橄榄石、硫磺等。 ④、正晶体与负晶体 单轴晶体中，o光之折射率大于e光之折射率（n o >n e ）；o光之传播速度小于e光之传播速度（v o v e 则此种晶体称为 。石英、冰等为正晶体。 ⑤、主截面、主平面 对于光学各向同性介质，入射光线与界面法线构成一 ，入射线、反射线、折射线、均在入射面内。即三光线共面。对于光学各向异性介质，我们要引进主截面与主平面的概念。由界面法线与晶体光轴构成的平面称为 。当入射光在主截面内时，即入射面与主截面重合时，则两折射线均在入射面内，否则非常光不在入射面内。晶体中光轴与折射线构成的平面称为 。当主截面与入射面重合时，两个主平面也重合且与主截面重合。一般情况下，e光之主平面与o光之主平面并不重合。o光之电矢量E o 垂直于o光之主平面，e光之电矢量E e 在e光的主平面内。由于两个主平面的夹角很小，所以E o 与E e 近乎垂直。 2、单轴晶体的波面，平面波在单轴晶体中的传播 光学各向异性介质中的双折射现象，必须用极化理论和折射率椭球理论来解释，有兴趣的同学可以参考有关书本。下面只是简单的加以说明，并用惠更斯作图法来给出平面波在单轴晶体中传播时的o 光和e 光。 前面已经讲过，光学各向异性晶体中只有在光轴方向n e =n o ,v e =v o ,而在其它方向是。而o光在所有的方向上的折射率n ( ) ( ) θ θ e o e o v v n n ≠ ≠ , o （速度v o ）都是不变的，因此，对于o光，在晶体中任意一点所引起的子波阵面为一球面。e光在不同的方向上具有不同的折射率n e ( θ) 和传播速度 v e (θ)，θ为光线与光轴之夹角，在垂直于光轴的方向上（即θ=90 o ）n e 为最大（正晶体）或最小（负晶体），对于e光晶体中任意一点引起的子波波阵面是一旋转椭球面（由折射率椭球得到）。在光轴方向上这两个波面相切，如图4 所示。下面以负晶光轴 a正晶体光轴 b负晶体 图4 晶体中子波阵面 体方解石为例来说明惠更斯作图法求取平面波在晶体中传播时的o光和e光 ① 光轴在入射面内并与晶体表面成一夹角，平面波斜入射如图 5（a）所示，AC 是平面入射波的波阵面，当入射波由C 传到D 点时，自A 向晶体内已发出球形和椭球形两个子波波阵面。这两个子波波阵面相切于光轴上的 G 点。从 D 点画出两个平面DE 和DF 分别与球面和椭球面相切。在晶体中，DE 是寻常光线的新波阵面，DF 是非常光线的新波阵面。引AE 及AF 两线，就得到o 光和e 光在晶体中传播的方向。这里可看到非常光线的传播方向与波阵面并不垂直。 (b)平面波垂直地射入方解石的双折射现象 C D A B e o o,e o,e 光轴 (c)平面波垂直射入方解石（光轴在折射面内并平行于晶面）的双折射现象 L 1 A C D B B＇ o e o 图5 惠更斯作图法 (d)光轴平行于晶体表面且垂直于入射面，平面波斜入射 (a)平面波倾斜地射入方解石的双折射现象 C D A o E F o N N 光轴 i G E D C A B E F F o o 光轴 G e e e e e ② 光轴在入射面内并与晶体表面成一夹角，平面波垂直入射如图5（b）所示，当平面波射到晶体表面上时，自平面波波阵面上任意两点 B 与 D 向晶体内发出球形和椭球形两个子波波阵面。这两个子波波阵面相切于光轴上的 G 点。作 EE’和 FF’面分别与上述两子波波阵面相切，即得寻常光线与非常光线在晶体中的波阵面。引 BE 和 BF 两线，就得到两条光线在晶体中的传播方向。 ③ 光轴在入射面内且平行于晶体折射表面，平面波垂直入射。如图5（c）所示，o 光和e 光都不折射，仍沿着原方向传播。但应该注意，两者的传播速度和折射率都不相等，因而与光线在晶体内沿光轴方向传播时具有相同速度、相同折射率、无双折射现象的情况是有基本区别的。 ④ 光轴平行于晶体表面且垂直于入射面，平面波斜入射。如图5（d）所示，从A 点出发的子波波阵面在入射面内为二个圆，o 光子波面在内，e 光子波面在外。通过D 点对内圆作切线，切点为B，则AB 连线即为o 光光线，通过D 点对外圆作切线切点为B’，则AB’ 连线即为e 光光线。 A A e 起偏器 检偏器 图8 偏振光检验 θ A e A o A ρ ρ＇ θ 图7 马吕斯定律 律、偏振光的检验 o光之主平面重合，若线偏振光之光矢量A 3、马吕斯（Molus）定当一线偏振光垂直入射于单轴晶体，即e光和与主平面的夹角为θ，如图7 所示，图中ρρ’为主平面。用矢量分解法，我们可以得到o光和e光的电矢量A o 和A e θ = θ = cos sin A A A A e o （1） 则o 光和e 光之光强分别为： cos sin （2） 上式就是马吕斯定律。马吕斯定律可用于偏振光的检测,如图8，有两个偏振片（或偏振晶体），其通光面夹角为θ，自然光垂直入射。通过 第后，变为线偏振光，其振幅为A 。通过第二个偏振片（称为检偏器）后，仍然为线偏振光，但其偏振面转过了θ角， 幅为A e ，强度为I e ，均由公式（1），（2）表示。当第二个偏振片旋转θ从0 变到90 时，I e 就从极大变为 。 偏振光实验仪，偏振片，方解石晶体，光电信号检测仪，小型 象 激光器，方解石晶体，光屏放在偏振光实验仪上，让 He－Ne 激 θ = θ = 2 2 e 2 2 o A I A I 一个偏振片（称为起偏器）其振 o o 0 He－Ne 激光器，PZ-04 平行光管， 【 】 1, 观察双折射现 1), 将 He－Ne 光穿过方解石晶体，转动方解石晶体观察光束，光点变化（o 光，e 光）， 2)，将偏振片放到方解石晶体和光屏当中,转动偏振片观察o 光,e 光强弱变化， 2，光器，偏振片，光电信号检测仪，调至等高、同轴，（光路见 转动P 2 一周，先观察探测器反映的光强变化；初步确定光强的极大值和极小值）位置。然后以极大值处为起始点（ϕ=0º）。测量 A I = 之关系。每10º测量1 个点。转动二周（即测量两次）若所用激光器功率稳定，可以只测一周。 （3）将二次I 测量值平均后，用作出I- 变化曲线. 3），从观察结果分析；o 光,e 光是什么光？其偏振化方向有何关系？- 验证马吕斯定律 1），将 He－Ne 激图9）。 （2）固定偏振片P 1 , ϕ — ) ( 2 2 填入下表中。 ϕ ϕ 60º …… 360º 0º 10º 20º 30º 40º 50º 第一次 第二次 2 2 A I = 平 均 【预习思考题】 答：怎么用实验方法来区分自然光、圆偏振光、椭圆偏振光、部分偏振 2,自然光通过方解石晶体后分解成o 光,e 光,这两束光是什么光? o 光,e 光的振动方 ? 1, 2 3 1, 3 2 1 化方向间的夹角为30°，强度为I0自然光垂直入射于偏振片P1,并依次通过P1, P2 与 P 1 P 2 起偏器 检偏器图9 偏振光检测 He－Ne P D 1,思考并回光、线偏振光？ 向有何关系 3, 三个偏振片P P 与P 堆叠在一起，P 与P 的偏振化方向相互垂直，P 与P 的偏振 P3,计算通过三个偏振片后的光强. 今日免费精品文档 原价:￥8.78购买￥0 双折射与偏振光文档信息6页
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