2022年2022年光偏振实验 .pdf

实验一光偏振实验光的偏振现象是波动光学中一种重要现象，对于光的偏振现象的研究，使人们对光的传播（反射、折射、吸收和散射等）的规律有了新的认识。特别是近年来利用光的偏振性所开发出来的各种偏振光元件，偏振光仪器和偏振光技术在现代科学技术中发挥了极其重要的作用，在光调制器、光开关、光学计量，应力分析、光信息处理、光通信、激光和光电子学器件等方面都有着广泛的应用。本实验将对光偏振的基本知识和性质进行观察、分析和研究。【实验目的】1、 了解偏振光的种类。着重了解和掌握线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光的产生及检验方法2、 了解和掌握1/4 波片的作用及应用。3、 了解和掌握1/2 波片的作用及应用。4、 验证马吕斯定律【实验原理】1、偏振光的种类光是电磁波， 它的电矢量E和磁矢量 H相互垂直， 且又垂直于光的传播方向，通常用电矢量代表光矢量， 并将光矢量和光的传播方向所构成的平面称为光的振动面，按光矢量的不同振动状态， 可以把光分为五种偏振态：如矢量沿着一个固定方向振动，称线偏振光或平面偏振光；如在垂直于传播方向内，光矢量的方向是任意的，且各个方向的振幅相等，则称为自然光；如果有的方向光矢量振幅较大，有的方向振幅较小，则称为部分偏振光；如果光矢量的大小和方向随时间作周期性变化，且光矢量的末端在垂直于光传播方向的平面内的轨迹是圆或椭圆，则分别称为圆偏振光或椭圆偏振光。2、线偏振光的产生1）反射和折射产生偏振根据布儒斯特定律，当自然光以nibarctan的入射角从空气或真空入射至折射率为n的介质表面上时，其反射光为完全的线偏振光，振动面垂直于入射面；而透射光为部分偏振光。bi称为布儒斯特角。如果自然光以bi入射到一叠平行玻璃片堆上，则经过多次反射和折射，最后从玻璃片堆透射出来的光也接近于线偏振光。2）偏振片它是利用某些有机化合物晶体的“二向色性” 制成的，当自然光通过这种偏振片后，光矢量垂直于偏振片透振方向的分量几乎完全被吸收，光矢量平行于透振方向的分量几乎完全名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 23 页 - - - - - - - - - 通过，因此透射光基本上为线偏振光。3、波晶片波晶片简称波片, 它通常是一块光轴平行于表面的单轴晶片。一束平面偏振光垂直入射到波晶片后， 便分解为振动方向与光轴方向平行的e 光和与光轴方向垂直的o 光两部分（如图 2 所示）。这两种光在晶体内的传播方向虽然一致，但它们在晶体内传播的速度却不相同。于是 e 光和 o 光通过波晶片后就产生固定的相位差，即lnne)(20, 式中为入射光的波长，l为晶片的厚度，ne和no分别为 e 光和 o光的主折射率。对于某种单色光，能产生相位差=(2k+1) /2的波晶片，称为此单色光的1/4 波片；能产生=(2k+1) 的晶片，称为1/2 波片；能产生=2k的波晶片，称为全波片。通常波片用云母片剥离成适当厚度或用石英晶体研磨成薄片。由于石英晶体是正晶体，其o 光比 e光的速度快，沿光轴方向振动的光（e 光）传播速度慢，故光轴称为慢轴，与之垂直的方向称为快轴。对于负晶体制成的波片，光轴就是快轴。图 2 波晶片4、平面偏振光通过各种波片后偏振态的改变由图 2 可知一束振动方向与光轴成角的平面偏振光垂直入射到波片后，会产生振动方向相互垂直的e光和o光，其 E矢量大小分别为Ee=Ecos, Eo=Esin通过波片后，二者产生一附加相位差。离开波片时合成波的偏振性质，决定于相位差和。如果入射偏振光的振动方向与波片的光轴夹角为0或/2，则任何波片对它都不起作用，即从波片出射的光仍为原来的线偏振光。而如果不为0或/2，线偏振光通过1/2 波片后， 出来的也仍为线偏振光，但它振动方向将旋转2，即出射光和入射光的电矢量对称于光轴；线偏振光通过1/4波片后， 则可能产生线偏振光、圆偏振光和长轴与光轴垂直或平行的椭圆偏振光，这取决于e入射光振动方向光轴方向o名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 23 页 - - - - - - - - - 入射线偏振光振动方向与光轴夹角。5、偏振光的鉴别鉴别入射光的偏振态须借助于检偏器和1/4 波片。使入射光通过检偏器后，检测其透射光强并转动检偏器；若出现透射光强为零（称“消光”）现象，则入射光必为线偏振光；若透射光的强度没有变化，则可能为自然光或圆偏振光（或两者的混合）；若转动检偏器，透射光强虽有变化但不出现消光现象，则入射光可能是椭圆偏振光或部分偏振光。要进一步作出鉴别，则需在入射光与检偏器之间插入一块1/4 波片。若入射光是圆偏振光，则通过1/4波片后将变成线偏振光，当 1/4 波片的慢轴 （或快轴） 与被检测的椭圆偏振光的长轴或短轴平行时， 透射光也为线偏振光，于是转动检偏器也会出现消光现象；否则，就是部分偏振光。6、马吕斯定律按 照 马 吕 斯 定 律 ， 强 度 为mI的 线 偏 振 光 通 过 检 偏 器 后 ， 透 射 光 的 强 度 为 : 20cosII。式中，为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角，0I为检偏器光轴与起偏器光轴平行时出射光强，mII0（偏振片有吸收，反射）；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时，透射光强度最大；当90时，透射光强为最小值（消光状态），接近于全暗；当090时，透射强度I介于最大值和最小值之间。因此，根据透射光强度变化的情况，可以区别线偏振光、自然光和部分偏振光。图3 表示自然光通过起偏器和检偏器的变化。起偏器检偏器图 3 自然光通过起偏器和检偏器的变化名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 23 页 - - - - - - - - - 【实验仪器】半导体激光器（它发出的波长为650nm,激光器配有3V 专用直流电源） 、两个固定在转盘上直径为2cm的偏振片（注意：转盘上的0 读数位置不一定是偏振轴所指方向）、两个固定在转盘上直径为2cm的 1/4 波片（注意：转盘上的0 读数位置不一定是1/4 波片的快轴或慢轴位置） 、带光电接收器的数字式光功率计（量程有2mW 和 200W二档）、光具座、遮光罩、手电筒接收器激光器检偏器1/4波片1/4波片起偏器【实验内容】实验采用波长为650nm的半导体激光器，它发出的是部分偏振光，为了得到线偏振光，需要在它前面加块起偏器P。为了使实验现象最明显，我们要使透过起偏器P的线偏振光光强最强， 即使偏振片的偏振轴与激光最强的线偏振分量一致。将各偏振元件按图4 放好， 暂时先不放波片C和检偏器 A。先使 P的偏振轴与激光最强的线偏振分量方向一致，这时光功率计读数最大，透过起偏器P的线偏振光功率最大。先使 A的偏振轴与激光的电矢量垂直，因此出现消光现象，记下偏振片A消光时的位置读数A(0) 。然后将 1/4 波片 C放在 A前面，旋转C，使再次出现消光现象，这时1/4 波片的快轴与激光电矢量方向平行或垂直，记下1/4 波片 C消光时位置读数C(0) 11/4 波片的作用：旋转 1/4 波片 C，以改变其快（或慢）轴与入射线偏振光电矢量（即偏振片P 偏振轴方向）之间夹角。当分别为15、 30、 45、 60、 75、 90时，将A 逐渐旋转360, 观察光强的变化情况（通过光功率计观察） ，记下二次最大值和最小值，并注意最大和最小值之间偏振片是否转过约90，并由此说明1/4 波片出射光的偏振情况。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 23 页 - - - - - - - - - 图 4 验证 1/4 波片作用光路图圆、椭圆偏振光的鉴别：单用一块偏振片无法区别圆偏振光和自然光，也无法区分椭圆偏振光和部分偏振光，请设计一个实验， 要求用一块1/4 波片产生圆偏振光或椭圆偏振光，再用另一块1/4 波片将其变成线偏振光。（该线偏振光振动方向是否还和原来一致）记录下你的实验过程和实验结果，通过这个实验， 想一想： 是否可借助于1/4 波片把圆偏振光和自然光分别开来，把椭圆偏振光和部分偏振光分别开来，为什么？ 1/ 波片的作用（客户可以直接选配1/2 波片完成此实验） ：）如图 4 所示的装置中，在和分别处于( ) 和 ( ) 位置时，在和之间再插入一个 1/4 波片使和组成一个1/ 波片，请考虑如何实现这一要求？）在和A 之间放上由和组成一个1/ 波片，将此波片旋转360, 能看到几次消光？请加以解释。）将和组成的1/ 波片，任意转过一个角度，破坏消光现象，再将旋转360,又能看到几次消光？为什么？）改变由和组成的1/ 波片的快（或慢）轴与激光振动方向之间夹角的数值，使其分别为15、 30、45、60、75、90。旋转到消光位置，记录相应的角度，解释上面实验结果，并由此了解1/ 波片的作用。4、验证马吕斯定律利用连续通过两个偏振器的偏振光，调出不同强度的光强，测量检偏器出射光强I与转角关系（1）半导体激光器输出激光为部分偏振光，在其后面放起偏器，并用探测器测量经起偏器出射的光强。 当检测至最大光强时，此时起偏器光轴与部分偏振光最强方向一致。半导体激光器接收器光功率计PCA起偏器检偏器1/4 波片1/4 波片C名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 23 页 - - - - - - - - - （2）在起偏器与探测器间加检偏器，转动检偏器测量检偏器出射最大光强，记为I0，应反复多测几次，求平均值0I和检偏器读数。 （为何必须反复多测几次求平均值？）以0作为 00角。 然后，每隔 100或 150， 改变角度，测量由检偏器出射光强I， 用cosln为自变量，Iln为应变量， 对Ilncosln进行直线拟合， 求得函数nIIcos0中的 n 及相关系数r, 以此证明马吕斯定律。光路图如下：起偏器检偏器激光器接收器图 5 验证马吕斯定律光路图【实验数据】 （注：以下数据不作为仪器验收标准，仅供实验时参考） 1/ 波片的作用当的偏振轴与的偏振轴垂直时，偏振片消光时的位置( ) 为 65o，在与之间插入 1/ 波片，旋转到再次出现消光，的位置( ) 为 136o旋转 1/ 波片，改变其快（或慢）轴与入射的线偏振光电矢量之间夹角，当分别为15o、30o、45o、60o、75o、90o时，将旋转360o，观察光强的变化情况，发现出现二次极大和二次极小，二次极大或极小值基本相等，并且从极大到极小或从极小到极大，偏振片都转过约90o，由此可说明线偏振光通过1/ 波片后，出射光可能为线偏振光，圆偏振光或椭圆偏振光，关键取决于，观察结果如下表所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 23 页 - - - - - - - - - 表 1 1/ 波片的作用1/ 波片转过的角度转动 3600, 现测到极大、极小值的光功率读数/w 光的偏振性质156.3 105.5 6.6 109.7 椭圆偏振光3024.7 90.7 23.8 90.4 椭圆偏振光4553.6 70.1 51.3 68.5 近似圆偏振光6029.6 89.3 28.8 88.5 椭圆偏振光757.7 107.4 7.3 106.1 椭圆偏振光900.1 115.6 0 118.6 线偏振光圆偏振光与自然光、椭圆偏振光与部分偏振光的鉴别单用一块偏振片无法区别圆偏振光和自然光，也无法区别椭圆偏振光和部分偏振光。必须再借助于一块1/ 波片，才能达到目的，具体做法是：按图装置，先使处于( )位置，这时产生消光现象，然后将1/ 波片放在前面，并从(0 ）位置转过45，再转动， 光功率计变化很小，说明线偏振光通过该波片变成圆偏振光，然后再在和之间加入另一块1/ 波片C，再转动，发现有消光现象，说明圆偏振光经1/ 波片后变成线偏振光，而自然光通过1/ 波片仍为自然光，这样可以将二者区分。当 1/ 波片转过的角度不为、 45 等一些特殊角度，线偏振光通过它出射的一般是椭圆偏振光，如用偏振片检查，可发现透射光强虽有变化，但不出现消光现象，再在和之间加入另一块1/ 波片C，使其快（或慢）轴与椭圆偏振光的长（或短）轴平行，则通过C透射光也为线偏振光，用偏振片检查，可发现有消光现象，而部分偏振光通过1/ 波片后，仍为部分偏振光，这样也可以将二者区分。、 1/ 波片的作用（客户可以直接选配1/2 波片完成此实验）分别测得，和C的零点位置为：( ) 为 65o、 ( ) 为 136o、C(0) 为 285o; ）将和C组成一个 1/ 波片；如图 4 所示的装置中， 在和分别处于( ) 和 ( ) 位置时， 在和之间， 再插入一个1/ 波片C，转动C，使再次出现消光现象，记下C( ) 285o，这时C的快轴与的快轴可能平行，也可能垂直，然后将和C同时转过015,如果仍然出现消光现象，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 23 页 - - - - - - - - - 说明和C快轴互相垂直，则只要将其中一块1/ 波片转过90o, 则和C已组成一个1/波片。如不再出现消光现象，说明和C已组成一个1/ 波片，转动到再次出现消光现象，记录相应的角度为 95, 可见线偏振光通过1/ 波片后出射的仍为线偏振光，只是偏振方向转过30即 2，使 1/ 波片的快 （或慢）轴与线偏振光振动方向之间夹角分别为 30、 45、 60、 75、 90。转到消光位置，记录相应的角度，可进一步验证这一点。表 2 1/ 波片的作用线偏振光经1/ 波片后震动方向转过角度951530125306015545901856012021575150245901804、马吕斯定律的验证nIIcos0式中，0I为检偏器光轴与偏振光电矢量同方向时，输出的最大光强。I 为检偏器光轴与偏振光电矢量夹角为时，输出的光强，n 为待定常数表 3 验证马吕斯定律结果00/01/0/uW/COS346.0 346.0 0 57.2 1.000 356.0 10.0 55.1 0.985 6.0 20.0 50.8 0.940 16.0 30.0 43.3 0.866 26.0 40.0 33.8 0.766 36.0 50.0 23.5 0.643 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 23 页 - - - - - - - - - 46.0 60.0 14.3 0.500 56.0 70.0 6.9 0.342 66.0 80.0 1.9 0.174 转角01-；0为检偏器光轴与偏振光电矢量同方向时的角度读数值。Iln与COSln进行直线拟合得:953.1n; 与理论值百分差2.3%。相关系数r0.99992 。这就验证了马吕斯定律。从实验可知： 用马吕斯定律可以定量地调节入射光强度，也可以检验光电传感器工作是否线性。实 验 二太 阳 能 电池 基 本 特性 测 定太阳能的利用和太阳能电池特性研究是21 世纪新型能源开发的重点课题。目前硅太阳能电池应用领域除人造卫星和宇宙飞船外，已应用于许多民用领域：如太阳能汽车、 太阳能游艇、太阳能收音机、太阳能计算机、太阳能乡村电站等。太阳能是一种清洁、“绿色”能源，因此， 世界各国十分重视对太阳能电池的研究和利用。本实验的目的主要是探讨太阳能电池的基本特性，太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子能量转换为电能。本实验将测量太阳能电池下述特性：1、在没有光照时，太阳能电池主要结构为一个二极管，测量该二极管在正向偏压时的伏安特性曲线，并求得电压和电流关系的经验公式。2、测量太阳能电池在光照时的输出特性并求得它的短路电流(SCI) 、开路电压 (OCU) 、最大输出功率mP及填充因子FF()(ocscmUIP) 。填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。3、光照效应： a 、测量短路电流SCI和相对光强度0JJ之间关系， 画出SCI与相对光强0JJ之间的关系图。 b 、测量开路电压OCU和相对光强度0JJ之间的关系，画出OCU与相对光强0JJ之间的关系图。一、原理太阳能电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其正向偏压U与通过电流 I 的关系式为：)1(UoeII (1) (1) 式中，oI和是常数。由半导体理论，二极管主要是由能隙为ECEV的半导体构成，如图1 所示。EC为半导体电带，EV为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，产生电子和名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 23 页 - - - - - - - - - 空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。ECEV导电带价电带能隙光子空穴电子图 1 假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个理想二极管、一个并联电阻shR与一个电阻sR所组成，如图2 所示。IphIdIph-IdRsRshIRL+-U图 2 图 2 中，phI为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流，dI为光照时，通过太阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得：0)(shdphsRIIIUIR（2）（2）式中， I 为太阳能电池的输出电流，U为输出电压。由（1）式可得，dshphshsIRUIRRI)1 (（3）假定shR和0sR，太阳能电池可简化为图3 所示电路。IphIdIU图 3 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 23 页 - - - - - - - - - 这里，) 1(0UphdpheIIIII。在短路时，U 0，scphII；而在开路时，I 0，0)1(0ocUsceII；1ln10IIUscOC（4）（4）式即为在shR和0sR的情况下， 太阳能电池的开路电压OCU和短路电流SCI的关系式。其中OCU为开路电压，SCI为短路电流，而0I、是常数。二、实验仪器与材料1、光具座及滑块座2、具有引出接线的盒装太阳能电池。3、数字电压表1 只、电阻箱1 只；或数字万用表2 只。4、干电池 2 节（ 1.5V）或直流电源1 个。5、白光源 1，射灯结构。功率40W 。6、遮板及遮光罩各一个。实验装置如图4 所示。20cm遮光罩光源太阳能电池盒图 4 三、实验内容1、在没有光源（全黑）的条件下，测量太阳能电池正向偏压时的I U特性（直流偏压从 03.0V） 。a、画出测量线路图。b、利用测得的正向偏压时I U关系数据，画出I U曲线并求得常数和0I的值。2、在不加偏压时，用白色光源照射，测量太阳能电池一些特性。注意此时光源到太阳能电池距离保持为20cm。a、画出测量线路图。b、测量电池在不同负载电阻下，I对U变化关系，画出I U曲线图。c、求短路电流SCI和开路电压OCU。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 23 页 - - - - - - - - - d、求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。e、计算填充因子)(scscmUIPFF。3、测量太阳能电池的光照效应与光电性质。在暗箱中（用遮光罩挡光），取离白光源20cm水平距离光强作为标准光照强度，用光功率计测量该处的光照强度0J；改变太阳能电池到光源的距离x, 用光功率计测量x 处的光照强度J，求光强 J 与位置 X关系。测量太阳能电池接收到相对光强度0JJ不同值时，相应的SCI和OCU的值。a、描绘SCI和相对光强度0JJ之间的关系曲线，求SCI和与相对光强0JJ之间近似关系函数。b、描绘出OCU和相对光强度0JJ之间的关系曲线，求OCU与相对光强度0JJ之间近似函数关系。四、实验结果例1、在全暗的情况下，测量太阳能电池正向偏压下流过太阳能电池的电流I和太阳能电池的输出电压U，测量电路如图5 所示。正向偏压从0-3.0V 条件下，测量结果如表1 所示。V12+ -太阳能电池R图 5 R1000表 1 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性U1/V 0.400 1.498 2.034 2.286 2.410 2.488 2.601 2.654 U2/mv 0.01 0.39 1.40 2.53 3.46 4.16 5.46 6.21 I/A0.01 10-3 0.39 1.40 2.53 3.46 4.16 5.46 6.21 U1/V 2.727 2.787 2.853 2.928 U2/mv 7.49 8.79 10.41 12.76 I/A7.49 8.79 10.41 12.76 由10UeII，当U较大时，1e，即0lnlnIUI由最小二乘法，将表1中最后 6 点数据处理得：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 23 页 - - - - - - - - - 160.2V，mAI601028.6相关系数r=0.9998 。2、在不加偏压时，在使用遮光罩条件下，保持白光源到太阳能电池距离20cm，测量太阳能电池的输出I对太阳能电池的输出电压U的关系，如图7 所示。由图7 得短路电流SCI=0.650mA，开路电压OCU3.70V。太阳能电池在光照时，输出功率P I U与负载电阻 R的关系，如图8 所示。00.51.01.52.02.53.03.54.00 . 10 . 20. 30 . 40 . 50. 60. 7I/mAU/A图 7 光照下太阳能电池输出电流I 与输出电压的U关系R/k01020304050607080901002.01.51.00.50.0P/mW图 8 光照下输出功率P与负载电阻R的关系由图8 可得到最大输出功率mWP604.1max，此时负载电阻R 4800，填充因子667.070.3650.0604.1IscocmUPFF。3、测量太阳能电池SCI和OCU与相对光强0JJ的关系，测量结果如图9 和图 10 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 23 页 - - - - - - - - - 00.20.40.60.81.01.2128345670ISC/mAJ/J0图 9 00.20.40.60.81.01.201.01.52.02.53.03.54.04.55.00.5J/J0VOC/V图 10 从图 9 和图 10 中找出SCI及OCU与相对光强0JJ的近似函数关系为)(oscJJAI (5) CJJInUoc)(0 (6) 利 用 最 小 二 乘 法 拟 合 ， 得SCI=6.8140JJ-0.0905， 相 关 系 数r=0.9996 ；413.4)(5057.00JJInUoc，相关系数r=0.922 。从最小二乘法拟合中，可知对短路电流SCI和开路电压OCU关系式（ 5）式和（ 6）式成立。实 验三单 丝和 单 缝 衍 射实 验一、实验目的1、观察单缝、单丝、小孔的夫琅和费衍射现象，了解缝宽、线径、孔径变化引起衍射图样变化的规律，加深对光的衍射理论的理解。2、利用衍射图样测量单缝的宽度和单丝的直径。并将实验结果与其他方法测量结果进行比较。二、实验仪器光具座、半导体激光器( 波长 650nm)及转盘、单缝 ( 三种缝宽 ) 、单丝 ( 三种线径 ) 架、名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 23 页 - - - - - - - - - 小孔架 ( 板) 、屏、米尺、直尺、读数显微镜，激光器专用电源。三、实验原理由夫琅和费衍射， 光源发出的平行光垂直照射在单缝( 或单丝 ) 上。根据惠更斯菲涅耳原理，单缝上每一点都可以看成是向各方向发射球面子波的新波源，波在接收屏上叠加形成一组平行于单缝的明暗相间的条纹。为实现平行光的衍射，即要求光源S及接收屏到单缝距离都是无限远或相当无限远，因而实验中借助两个透镜来实现，如图1 所示。位于透镜L1的前焦平面上的“单色狭缝光源”S，经透镜 L1后变成平行光，垂直照射在单缝D上，通过单缝 D 衍射在透镜L2的后焦平面上，呈现出单缝的衍射光样，它是一组平行于狭缝的明暗相间的条纹。如图2 所示。L1sDP0PL2图 1 Sin320aaa2a3aaI0I图 2 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 23 页 - - - - - - - - - 和单缝平面垂直的衍射光束会聚于接收屏上X=0处(P0点) ，是中央亮条纹的中心，其光强度为 I0；与光轴成角的衍射光束会聚于P处，由惠更斯菲涅耳原理可得P处的光强为 I为：220sinuuII , sindu (1) 式中 d 为狭缝宽度，为单色光波长，为衍射角，当=0 时， I=I0是中央主极大。当ksin/d 时，出现暗条纹，其中K=1，2，在暗条纹处，光强I=0。由于很小，故sin ，所以近似认为暗条纹出现在dk。中央亮条纹的角度d2，其它任意两条相邻暗条纹之间夹角d，即暗条纹以X=0 处为中心，等间距地左右对称分布。除中央亮条纹以外，两相邻暗条纹之间的宽度是中央亮条纹宽度的1/2 。当使用激光器作光源时，由于激光器的准直性，可将透镜L1去掉。如果屏远离单缝( 或金属丝 ) ，则透镜 L2也可省略。当单缝至屏距离Z d 时，很小，此时sin zxtgk，所以各级暗条纹衍射角应为：sin zxdkk (2) 所以单缝的宽度： d=kxZK (3) 式中 K 是暗条纹级数，Z 为单缝至屏之间的距离，kx为第 K 级暗条纹距中央主极大中心位置距离。将单丝代替单缝，公式(2) 和(3) 式同样成立。四、实验内容1、观察夫琅和费单缝衍射、单丝衍射和小孔衍射。将半导体激光器和单缝通过滑块和支架放置于光具座上，屏通过滑块放在桌面上，屏与单缝的间距大于1M，屏与缝的距离可以用米尺测量滑块下刻线间距正确得到。观察不同缝宽时， 屏上衍射图样的变化，试解释其变化的原因；再用单丝和小孔替代单缝观察不同线径或孔径时，屏上观察到衍射图样的变化，说明衍射图样变化原因。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 23 页 - - - - - - - - - 2、测量某金属细丝直径。用米尺测量屏与细丝的间距Z。用直尺测量第K级暗条纹中心与第一K级暗条纹中心的距离kX2，测量5 次，求平均值kX。已知激光器波长=650.0nm，将实验数据代入公式(3) 中，求金属细丝直径d。并与读数显微镜测量结果比较。3、用上述相似的方法，测量单缝宽度d，并与读数显微镜测量结果比较。注意：1、不要正对着激光束观察，以免损坏眼睛。2、测量第 K级暗条纹中心距中央主极大光斑中心的距离，可以在屏上贴一张作图纸画点测量，也可用白色纸用铅笔画点。3、半导体激光器工作电压为直流电压3V，应用专用 220V/3V 直流电源工作 ( 该电源可避免接通电源瞬间电感效应产生高电压的功能) ，以延长半导体激光器的工作寿命。五、实验结果例1、单丝直径的测量由光的衍射可知：dsin =k式中，K为衍射级次，为单色光的波长，d为待测金属直径，为衍射角。由实验光路可得：sin zxtgk则： d=kxZK式中 k 为暗条纹级数，Z 为金属丝与衍射成像屏之间的距离，kx为第 K 级暗条纹中心距中央主极大光斑中心的距离。Z 用米尺测量，kx用量程 15cm的直尺测量 . 单丝直径测量数据表：=650.0nm 表 1 K Z/cm kx/cm d/mm 5 102 1.95 0.170 10 102 3.92 0.169 用读数显微镜测得单丝平均值：d=0.167mm 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 23 页 - - - - - - - - - 两者测量单丝直径d 的百分差为1.8%。2、单缝缝宽d 测量与单丝衍射情况相同，单缝缝宽测量公式为：d=kxZK测量结果见表2 表 2 K Z/cm KX/cm d/mm 4 102 0.82 0.323 用 JCD3型读数显微镜测得缝宽d=0.324mm ，两者相当接近。实验 四偏 振 光 旋 光 实 验一、简介许 多 物 质 如 石 英 晶 体 、氯 酸 钠 、糖 溶 液 、松 节 油 等 都 有 旋 光 性 。利 用 旋光 性 测 定 糖 溶 液 浓 度 的 仪 器 称 为 旋 光 糖 量 计 。 除 了 在 制 糖 工 业 中 广 泛 应 用外 ， 在 制 药 工 业 、 药 品 检 测 及 商 品 检 测 部 门 中 也 常 用 来 测 定 一 些 药 物 和 商品 ( 如 可 卡 因 、 尼 古 丁 、 樟 脑 等 ) 的 浓 度 。 本 实 验 主 要 是 学 习 理 解 偏 振 光 的产 生 和 检 测 方 法 ； 观 察 旋 光 现 象 ， 了 解 旋 光 物 质 的 旋 光 性 质 ； 测 定 糖 溶 液的 旋 光 率 和 浓 度 的 关 系 ； 熟 悉 旋 光 仪 的 原 理 和 使 用 方 法 并 学 习 自 己 组 装 旋光 仪 。二 、 实 验 原 理线 偏 振 光 通 过 某 些 物 质 的 溶 液 后 ， 偏 振 光 的 振 动 面 将 旋 转 一 定 的 角 度 ，这 种 现 象 称 为 旋 光 现 象 ， 旋 转 的 角 度 称 为 该 物 质 的 旋 光 度 。 通 常 用 旋 光 仪来 测 量 物 质 的 旋 光 度 。 溶 液 的 旋 光 度 与 溶 液 中 所 含 旋 光 物 质 的 旋 光 能 力 、溶 液 的 性 质 、 溶 液 浓 度 、 样 品 管 长 度 、 温 度 及 光 的 波 长 等 有 关 。 当 其 它 条件 均 固 定 时 ， 旋 光 度与溶液浓度C呈线性关系，即C (1) 上 式 中 ，比 例 常 数与物质旋光能力、溶剂性质、 样品管长度、 温度及光的波长等有关，C为溶液的浓度。物 质 的 旋 光 能 力 用 比 旋 光 度 即 旋 光 率 来 度 量 ， 旋 光 率 用 下 式 表 示 ：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 23 页 - - - - - - - - - Clt (2) 上式中，t右上角的t表示实验时温度( 单位：oC), 是指旋光仪采用的单色光源的波长( 单位： nm)，为测得的旋光度( o )，l为样品管的长度（单位：dm） ，C为溶液浓度（单位：g/100mL） 。由(2) 式可知：偏振 光 的 振 动 面 是 随 着 光 在 旋 光 物 质 中 向 前 进 行 而 逐 渐旋 转 的 ，因 而 振 动 面 转 过 角 度透 过 的 长 度l成 正 比 ；振 动 面 转 过 的 角 度不 仅 与 透 过 的 长 度l成 正 比 ， 而 且 还 与 溶 液 浓 度 C成 正 比 。如 果 已 知 待 测 物 质 浓 度C 和 液 柱 长 度l，只要测出旋光度就可以计算出旋光率。如果已知液柱长度l为 固 定 值 ， 可 依 次 改 变 溶 液 的 浓 度C，就 可 测 得 相 应 旋光 度。并作旋光度与 浓 度 的 关 系 直 线 ， 从 直 线 斜 率 、 长 度l及 溶 液 浓 度 C，可 计 算 出 该 物 质 的 旋 光 率 ；同 样 ，也 可 以 测 量 旋 光 性 溶 液 的 旋 光 度，确 定溶 液 的 浓 度 C。旋 光 性 物 质 还 有 右 旋 和 左 旋 之 分 。当 面 对 光 射 来 方 向 观 察 ，如 果 振 动 面按 顺 时 针 方 向 旋 转 ， 则 称 右 旋 物 质 ； 如 果 振 动 面 向 逆 时 针 方 向 旋 转 ， 称 左旋 物 质 。 表 1 给 出 了 一 些 药 物 在 温 度t=20oC,偏 振 光 波 长 为 钠 光589.3nm( 相当 于 太 阳 光 中 的 D 线 ) 时 的 旋 光 率 。表 1 某 些 药 物 的 旋 光 率 ( 单 位 ： （o） g- 1 cm3 dm- 1) 药 名20药 名20果 糖-91.9 桂 皮 油-1 +1 葡 萄 糖+52.5 +53.0 蓖 麻 油+50 以 上樟 脑 （ 醇 溶 液 ）+41 +43 维 生 素+21 +22 蔗 糖+65.9 氯 霉 素-20 -17 山 道 年 （ 醇 溶 液 ）-175 -170 薄 荷 闹-50 -49 三 、 实 验 仪 器 及 装 置实 验 仪 器 主 要 有 偏 振 光 旋 光 实 验 仪 和 半 荫 旋 光 仪 ( 糖 量 计 ) 两 种 类 型 。 本实 验 中 采 用 偏 振 光 旋 光 实 验 仪 。偏 振 光 旋 光 实 验 仪 的 结 构 如 图2 所 示 。它 由 光 具 座 、带 刻 度 转 盘 的 偏 振片 2 个 、 样 品 试 管 、 样 品 试 管 调 节 架 、 光 功 率 计 等 组 成 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 23 页 - - - - - - - - - 图 2 偏 振 光 旋 光 实 验 仪1 半 导 体 激 光 器 （ S） ;2 起 偏 器 及 转 盘 P1; 3 样 品 管 调 节 架 （ R） ; 4 样 品 试 管 ；5 检 偏 器 及 转 盘 P2；6 光 强 探 测 器 （ 硅 光 电 池 T） ; 7 光 功 率 计 （ I ） ；偏 振 光 旋 光 实 验 仪 工 作 原 理 如 图2 所 示 ，图 中P1为 起 偏 器 ， P2为 检 偏器 ， S 为 半 导 体 激 光 器（ 波 长650） ，R 为 盛 放 待 测 溶 液 的 玻 璃 试 管 ，由 半导 体 激 光 器 发 出 的 部 分 偏 振 光 经 起 偏 器P1后 变 为 线 偏 振 光 ， 在 放 入 待 测 溶液 前 先 调 整 检 偏 器P2, 使 P2与 P1的 偏 振 化 方 向 垂 直 ， 透 过P2的 光 最