偏振光的观测与研究教案与讲稿

大学物理试验 课程教案课次授课方式

课时理论课□争论课□试验课习题课□其他□ 安排 3授课题目〔教学章、节或主题偏振光的观测与争论教学目的、要求〔分把握、生疏、了解三个层次：观看光的偏振现象，加深对偏振概念的理解．了解偏振光的产生和检验方法．观测布儒斯特角及测定玻璃折射率．学会区分自然光和圆偏振光、局部偏振光和椭圆偏振光.教学重点及难点：重点：了解偏振光的产生和检验方法．教学基本内容偏振光的根本概念获得偏振光的常用方法偏振片、波片及其作用观测布儒斯特角及测定玻璃折射率观看椭圆偏振光和圆偏振光1/2波片时的现象作业、争论题、思考题：1

方法及手段提问抽查学生预习状况讲解试验主要内容及留意事项实物讲解介绍仪器设备及留意事项通过辅导或提示帮助学生解决试验中遇到的困难和障碍是在平行于入射面内还是在垂直于入射面内？如何通过一个偏振片来判别自然光和线偏振光？如何区分自然光和圆偏振光？如何区分局部偏振光和椭圆偏振光？课后小结：指导学生试验时，既要面面俱到，事无俱细进展引导，同时，又要留意切忌课后小结：指导学生试验时，既要面面俱到，事无俱细进展引导，同时，又要留意切忌包办代替。从试验材料的选择、仪器的装配到操作步骤和技巧，既要科学标准，以保证现象清楚，结果正确。学生的动手力气个有不同，应当因材施教，针对不同的学生，适当加深试验的难度。光的干预和衍射试验证明白光的波动性质．本试验将进一步说明光是横波而不是纵波，EH的振动方向是垂直于光的传播方向的．光的偏振性证明白光是横波，人们通过振光的应用已普及工农业、医学、国防等部门．利用偏振光的各种周密仪器，已为科研、工程设计、生产技术的检验等供给了极有价值的方法．【试验原理】偏振光的根本概念依据光的电磁理论，光波就是电磁波，它的电矢量EH相互垂直．两者均垂直于光的传播方向．从视觉和感光材料的特性上看，引起视觉和化学反响的是光的电矢量，通EE和光的传播方向所构成的平面称为光振动面．图10s内各个方向电矢量的时间平均值相等，故消灭如图1〔b〕所示的所谓自然光．有些光的振动面如图1〔c〕所示的局部偏振光．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章的变化，其电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的移动轨迹呈椭圆〔或圆形，这样的光称为椭圆偏振光〔或圆偏振光，如图〔d〕所示．1光波按偏振的分类获得偏振光的常用方法非金属镜面的反射通常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局部偏振光．但当入射角增大到某一特定值0

时，镜面反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于入16-4-2所示，这时入射角22布儒斯特定律示意图

称为布儒斯特角，也称为起偏角．图中“偏振光．由布儒斯特定律得：其中n、n1

ntan 0 n1分别为两种介质的折射率．n1.501.770测定物质的折射率．多层玻璃片的折射

560—600当自然光以布儒斯特角0

入射到由多层平行玻璃片重叠在一起构成的玻璃片堆上时，的透射光也就接近于振动方向平行于入射面的线偏振光．利用偏振片的二向色性起偏将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏．某些有机化合物晶体〔如硫酸碘奎宁或硫酸奎宁碱由于吸取不完全，所得的偏振光只能到达确定的偏振度．利用晶体的双折射起偏自然光通过各向异性的晶体时将发生双折射现象，双折射产生的寻常光〔o光〕和非寻常光〔e光〕均为线偏振光．o光光矢量的振动方向垂直于自己的主截面；e光光矢量的振石胶合成的尼科耳棱镜能给出一个有固定振动面的线偏振光．偏振片、波片及其作用偏振片检偏器．依据马吕斯定律，强度为I0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为：I=I0

cos2式中为入射偏振光的偏振方向与检偏器偏振方向之间的夹角I00=900时，透射光强为微小值〔消光状态，当00<<900时，透射光强介于最大和最小值之间，如图3所示，自然光通过起偏器与检偏器的变化．3光的起偏和检偏依据透射光强度变化的状况，可以区分线偏振光、自然光和局部偏振光．波片L、外表平行于自身光轴的单轴晶片时，会产生双折射现象，寻常光〔o光〕和非寻常光(e光)沿同一方向前进，但传播的速度不同．这两种偏振光通过晶片后，它们的相位差为：2(n n)L o e其中，为入射偏振光在真空中的波长，nn分别为晶片对o光和e光的折射率，Lo e为晶片的厚度．xAcosteye

Acos(t0

)从两式中消去t，经三角运算后得到合振动的方程式为 cos sin2由此式可知，

A2 A2 AAe o e ooa) 当k(k0,1,2,yAoAe

x，为线偏振光．b) 当(2k1

(k0,1,2,时，x2

y2

1为正椭圆偏振光在A= A时，2 A2 A2 o e o为圆偏振光．c) 当为其它值时，为椭圆偏振光．在某一波长的线偏振光垂直入射到晶片的状况下，能使 o光和e光产生相位差(2k1)〔的奇数倍〕的晶片，称为对应于该单色光的二分之一2波片〔1/2波片〕2

oe光产生相位差(2k1)〔相2 当于光程差为4

的奇数倍〕的晶片，称为四分之一波片〔1/4波片〕4

波片．本试验中所用波片是对63280〔He

N激光〕而言的．e4A1/4o光和e光的振幅分别为Asin和Acos1/4波片合成的偏振状态也随角度的变化而不同．图4线偏振光经过1/4波片示意图 图5线偏振光经过1/2波片示意图当=00时，获得振动方向平行于光轴的线偏振光e光．当=/2时，获得振动方向垂直于光轴的线偏振光o光．当=/4时，Ae=Ao获得圆偏振光．当1/4波片后为椭圆偏振光．1/4波片获得椭圆偏振光和圆偏振光．1/2波片后，AeAo的位相差位5两列光波合成后照旧为线偏振光，但振动方向较原方向转动了2角度。【试验仪器】He-Ne激光器，偏振片〔起偏器、检偏器，1/41/2偏振光试验仪，观测布儒斯特角装置．6试验仪器实物图【试验内容与步骤】起偏与检偏鉴别自然光与偏振光，验证马吕斯定律在光源至光屏的光路上插入起偏器PP在起偏器P1后面再插入检偏器P2P1的方位,将P23600，观看光屏上光斑强度的变化状况．有几个消光方位？以硅光电池代替光屏接收P2P在坐标纸上作出I~co2关系曲线．77布儒斯特定律示意图〔入射光为线偏振光〕在起偏器P后，放入测布儒斯特角的装置，然后调整起偏角度，使透射出来的偏1振光的偏振方向水平〔保证偏振方向在入射面内。旋转载物玻璃平板使反射的光束与入射光束重〔即观看起偏器上的入射光点和反射光点重合，登记此时载物玻璃平板的初始角 ．1止，登记载物玻璃平板的角度

，重复测量三次．22所示，求出0

2

和平均值

，最终依据tan0

nn 〔nn11

＝1为空气的折射率〕得出玻璃的折射率n．观看椭圆偏振光和圆偏振光PP的偏振方向垂直〔P后的光屏上处于消光状1 2 2态，在起偏器P1

P2

1/4P2

后的光屏上仍处于消光状态〔此时=00．从00的位置开头，使检偏器P转动，这时可以从屏上光强的变化看到经过1/42波片后的光为线偏振光．取=900P2

1/4波片后的光为线偏振光．其振动面与00时的振动面垂直．取00900P2

时屏上光强的变化，其结果与椭圆偏振光对应．特别是当=450时，P2

转动时屏上光强几乎不变，这便是圆偏振光对应的状态．1/2波片时的现象8PP的1 2振动面为水平〔此时应观看到消光现象．SP1SP1CP2S光源P起偏器1P检偏器2图8 线偏振光通过1/2波片光路图在P1P2之间插入1/2波片，将C转动36o，能看到几次消光？解释这一现象．将CP2转动360o，观看到什么现象？由1/2波片后，光变成怎样的偏振状态？P1、P2CC15oP22至消光位置，并记录P所转动的角度．2连续将C转15o〔即总转动角为30〕记录A到达消光所转总角度，依次使45o、60o、75o、90o．记录P2消光时所转总角度．从上面试验结果得出什么规律？怎么解释这一规律．【留意事项】试验中各元件不能用手摸，试验完毕后按规定位置放好．不要让激光束直接照耀或反射到眼睛内．【数据记录及处理】P与PP与P偏振化12光功率的读数方向夹角I〔mW〕试验I/I=cos20理论I/I=cos2000 0.801.001.003000.560.700.754500.260.320.506000.160.200.259000.2020.03玻璃折射率的测定与计算0.00C转动角度C转动角度90oP初始角度2P末角度2142.1o172.9o200.0o233.0o264.5o294.4oP转动角度2114.0o28.1o58.9o86.0o119.0o150.5o180.4o载物玻璃平板的角位置布儒斯特角次数玻璃折射率光垂直入射时1132.0o78.4o20.6o反射光消光时75.5o21.5o-35.6o20 256.5o56.9o56.2o10tg0１２３56.53o1.51【思考题】区分自然光和圆偏振光：假设用偏振片进展观看时，光强随偏振片的转动没有变化，这束光是自然光或圆偏振光。在偏振片之前放1/4玻片，再转动偏振片。假设强度照旧没有变化是自然