光学第三轮实验讲义(2012-10).ppt

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：,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振光,线偏振光的图示法,2、自然光,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。,光矢量对称分布,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。,自然光的表示法,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。,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。,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。,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。,偏振片的透振方向,实验：机械波通过狭缝,一、偏振片,透振方向,马吕斯定律,A = Acos,二、波片,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,O光,e光,双折射,方解石,双折射现象同一束光线通过折射后 分为两束的现象,一片单轴晶体的平行平面板，其光轴与表面平行。,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。,波片：,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，另一个平行于光轴。,波片的光轴,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,相位差,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，,振幅,讨论：（1）,椭圆偏振器,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,反射光和 折射光,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？,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,又,所以,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.124P.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。,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,(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为止，记下玻璃平板的角度 2。,三.实验内容,(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。,(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。,布儒斯特角：,2.观察平面偏振光透过半波片后的偏振态,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）,(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)。,(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。,3.观察平面偏振光透过1/4波片后的偏振态 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） (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)。 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：,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，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,4、1/4波片,实验十四.迈克耳孙干涉仪的调节和使用,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。,理论知识,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,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,不相干,（2）相干情况,S1、S2是两个相干光波源,经过不同光程,产生相干光的两种方法,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,定义：光程 = n r,光程差：,迈克耳逊干涉仪,迈克耳逊干涉仪,G1:分光板，其背面为半透明表面(镀银薄层)，其作用是将入射光束分成两束强度几乎相等的光束。,G2:补偿板，其厚度和折射率与G1相同，其作用是补偿光程。,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。,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。,光程差 为,d,M1,M2,内高外低、内疏外密的圆环.,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.156P.166,二.原理 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，所有倾角为i的入射光，由M1和M2反射后，它们的光程差 为,旋动手轮使d,回程误差很大。,微调螺丝,读数转盘,M1和M2背后的三个螺丝,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,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,我们只要测出d，就可计算波长：,实验内容:,1.用He-Ne激光调节迈克耳孙干涉仪，并测激光波长。 (N=100，重复次) 迈克耳孙干涉仪的调节： (1)激光经M1和M2反射后，在观察屏上有两个最强的亮点，仔细调节M1和M2背后的三个螺丝，改变M1和M2的相对方位，直至两亮点完全重合，这时重合的亮点中往往可观察到到条暗条纹。 (2)在激光源前加上扩束透镜，仔细缓慢地调节M2下方的两个微调螺丝，使观察屏上的干涉条纹成圆形。 (激光的干涉情况是“不定域”的，钠光在这里的干涉情况是“定域”的定域在无穷远),d的测量：,(1)旋转粗动手轮(配合使用细动手轮)，使M1移动，观察条纹变化，使视场中(屏上)出现清晰的对比度较好的干涉圆环。 (2)漫漫转动读数转盘，观察中心“涌出”或 “陷入”100圈时的d的变化量：,由此计算He-Ne激光波长。 2.测钠光波长 (1)将光源换成钠光，这时不用观察屏接受，而是用眼睛直接观察等倾干涉条纹。 (2)仔细缓慢地调节M2下方的两个微调螺丝，使干涉条纹成圆形。并且圆纹中心仅随观察者的眼睛左右上下移动，但不发生条纹的“涌出”或 “陷入”现象，这时观察到的条纹才是严格的等倾干涉。,(3)漫漫转动读数转盘，观察中心“涌出”或 “陷入”100圈时的d的变化量：,由此计算He-Ne激光波长。(重复2次),3.测定钠光双线的波长差 4.调节观察白光的彩色条纹 由