光学第三轮实验讲义PPT讲稿.ppt

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1、光学第三轮实验讲义第1页，共49页，编辑于2022年，星期四实验十实验十 偏振现象的观察与分析偏振现象的观察与分析光波是横波，具有偏振性。光波是横波，具有偏振性。光矢量光矢量=电场强度矢量电场强度矢量相关基础知识相关基础知识振动与波振动与波第2页，共49页，编辑于2022年，星期四补充知识：补充知识：1.平面偏振光平面偏振光(线偏振光线偏振光)：光矢量：光矢量E的振动方向始终在某一方向上。的振动方向始终在某一方向上。垂直于图面向外垂直于图面向外传播的线偏振光传播的线偏振光线偏振光的图示法线偏振光的图示法振动方向振动方向振动面振动面传播方向传播方向第3页，共49页，编辑于2022年，星期四2、自

2、然光、自然光 在在与与传传播播方方向向垂垂直直的的平平面面内内，在在所所有有可可能能的的方方向向上上，E的的振振幅幅都都相等，这样的光称为自然光。相等，这样的光称为自然光。光矢量对称分布光矢量对称分布总总可可以以分分解解成成两两个个互互相相垂垂直直的的、振振幅幅相相等等的的、彼彼此此独独立立的的光光振振动动。它它们们之之间间不不存存在在确确定定的的相相位位关关系系，并并各各占自然光总光强的一半。占自然光总光强的一半。第4页，共49页，编辑于2022年，星期四自然光的表示法自然光的表示法第5页，共49页，编辑于2022年，星期四2、部分偏振光、部分偏振光部部分分偏偏振振光光是是偏偏振振态态介介于

3、于自自然然光光和和线线偏偏振振光光之之间间的的光光，它它的的振振动动方方向向也也是是随随机机地地迅迅速速变变化化着着。但但是是在在某某一一方方向向上上的的振振动动占占有有优优势势，振振幅幅最最大大。与与之之垂直的方向振幅最小，其振幅情况可用图表示。垂直的方向振幅最小，其振幅情况可用图表示。自然光部分偏振光第6页，共49页，编辑于2022年，星期四4、椭圆偏振光和圆偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光对对于于线线偏偏振振光光，光光波波场场中中任任意意一一个个场场点点的的光光矢矢量量(电电矢矢量量)的的端端点点在在波波面面内内描描绘绘的的轨迹为一直线。轨迹为一直线。椭椭圆圆偏偏振振光光：椭椭圆圆偏偏振振光

4、光的的相相应应的的轨轨迹迹为为一一椭椭圆圆。如如图图所示。所示。第7页，共49页，编辑于2022年，星期四圆偏振光：圆偏振光：圆圆偏偏振振光光是是椭椭圆圆偏偏振振光光的的一一个个特特例例，任任一一场场点点的的光光矢矢量量大大小小不不变变，但但方方向向以以角角速速度度 (光光波的圆频率波的圆频率)匀角速转动。匀角速转动。椭圆偏振光可以分成两个光矢量互相垂直并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。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任何偏振态都可以分成两个光矢量互相垂直的线偏振光。的线偏振光。第8页，共49页，编辑于2022年，星期四5.偏偏振

5、振片片（器器）：只只让让某某一一振振动动方方向向的的光光通通过过。称称这这一一方方向向为为偏振片的透振方向。偏振片的透振方向。偏振片的透振偏振片的透振方向方向实验：机械波通过狭缝实验：机械波通过狭缝第9页，共49页，编辑于2022年，星期四一、偏振片一、偏振片透振方向透振方向马吕斯定律马吕斯定律 AA =Acos 第10页，共49页，编辑于2022年，星期四二、波片二、波片波晶片或相位延迟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晶体具有双折射现象第11页，共49页，编辑于2

6、022年，星期四双折射现象双折射现象自然光自然光O光光e光光双折射双折射双折射双折射双折射双折射方解石方解石双折射现象双折射现象同一束光线通过折射后同一束光线通过折射后 分为两束的现象分为两束的现象第12页，共49页，编辑于2022年，星期四一片单轴晶体的平行平面板，其光轴与表面平一片单轴晶体的平行平面板，其光轴与表面平行。行。当当一一束束平平行行线线偏偏振振光光光光束束垂垂直直入入射射到到波波片片上上，将将分分解解成成的的o光光和和e光光，o光光和和e光光沿沿同同一一方方向向传传播播，但但它它们们的的传传播播速速度度不不同同，分分别别为为vo和和ve，折折射射率率分分别别为为no和和ne。波

7、片：波片：第13页，共49页，编辑于2022年，星期四波波片片有有一一个个特特殊殊方方向向，称称之之为为光光轴轴。它它使使入入射射的的线线偏偏振振光光分分成成相相互互垂垂直直的的具具有有一一定定位位相相差差的的两两个个线线偏偏振振光光。其其中中一一个个线线偏偏振振光光的的振振动动方方向向垂垂直直于于光光轴轴，另另一一个个平平行行于于光轴。光轴。波片的光轴波片的光轴第14页，共49页，编辑于2022年，星期四o光和光和e光在波片中所经历的光程不同光在波片中所经历的光程不同o光经过的光程：光经过的光程：no de光经过的光程：光经过的光程：ne d相位差相位差相相位位差差取取决决于于波波长和波片厚

8、度。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，称为1/4波片称为1/2波片第15页，共49页，编辑于2022年，星期四振幅振幅第16页，共49页，编辑于2022年，星期四单色自然光单色自然光自然光（不能形自然光（不能形成稳定的椭圆）成稳定的椭圆）波片（波片（e、o）单色平面单色平面偏振光偏振光椭圆偏振光（有椭圆偏振光（有恒定位相差）恒定位相差）波片（波片（e、o）讨论：（讨论：（1）椭圆偏振光椭圆偏振光线偏振光线偏振光椭圆偏振器椭圆偏振器第17页，共49页，编辑于2022年，星期四 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振一、布儒斯特定律一、布儒斯特定律1、现象：一束自然光

9、射到两种介质的分界面上，发现反射光和反射光和 折射光折射光部分偏振光部分偏振光线偏振光线偏振光在特殊在特殊条件下条件下获得线偏振光的一种方法获得线偏振光的一种方法两个部分偏振光是什么样的部分偏振光？两个部分偏振光是什么样的部分偏振光？第18页，共49页，编辑于2022年，星期四反射光的偏振现象是马吕斯在反射光的偏振现象是马吕斯在1808年发年发现的。实验表明：现的。实验表明：(1)(1)反射光是垂直于入射面方向振动的光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。矢量较强的部分偏振光。(2)(2)折射光是平行于入射面方向振动的光矢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。量

10、较强的部分偏振光。讨讨论论在在什什么么特特殊殊条条件件下下，反射光成为线偏振光？反射光成为线偏振光？第19页，共49页，编辑于2022年，星期四2、布儒斯特定律（、布儒斯特定律（1813年）年）当当入入射射角角等等于于某某一一特特定定角角 i10 时时，反反射射光光成成为为振振动动面面垂垂直直于于入入射射面面的的线线偏偏振振光光，i12称称为为布布儒儒斯特角或起偏角，满足斯特角或起偏角，满足又所以所以反射光与折射光互相垂直第20页，共49页，编辑于2022年，星期四实验十一实验十一.偏振现象的观察与分析偏振现象的观察与分析一一.预习要求：阅读实验十一预习要求：阅读实验十一.P.124P.131

11、二二.说明：说明：1.本实验中练习二的内容不做。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本实验使用的偏振器件是人造偏振片(聚乙烯聚乙烯醇材料醇材料)，它的出射光不是完全线偏振光，它的出射光不是完全线偏振光(偏振偏振度度P 1)。3.本实验使用的波片质量较差，不是用石英、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，方解石做成，而是云母类材料，因此，1/2波波片、片、1/4波片的误差较明显。波片的误差较明显。4.针对针对2、3情况，我们对实验进行了改进。情况，我们对实验进行了改进。第21页，共49页，编辑于2022年，星期四1.测定玻璃的布儒斯特角

12、测定玻璃的布儒斯特角iB和偏振片和偏振片(1)、(2)的主截面的主截面(透振方向透振方向)的确定的确定(2)同时转动玻璃平板和起偏器同时转动玻璃平板和起偏器(偏振片偏振片)P(使其透使其透射方向在入射面内射方向在入射面内)，仔细调节直到反射光消失，仔细调节直到反射光消失为止，记下玻璃平板的角度为止，记下玻璃平板的角度 2。三三.实验内容实验内容(1)如如图图所所示示，调调节节玻玻璃璃平平板板使使反反射射光光束束与与入入射射光光束束重重合，记下初始角合，记下初始角 1。第22页，共49页，编辑于2022年，星期四(3)重复测量三次，求平均值。重复测量三次，求平均值。(4)由由布儒斯特角计算玻璃的

13、折射率布儒斯特角计算玻璃的折射率n。(5)偏偏振振片片1透透射射方方向向在在入入射射面面内内，记记录录偏偏振振片片1的的透透振振方方向向的的角角度度。由由偏偏振振片片1透透射射方方向向可可确确定定偏偏振振片片2透透射射方方向向，记记录录偏偏振振片片2的的透透振振方方向向的角度。的角度。布儒斯特角：布儒斯特角：第23页，共49页，编辑于2022年，星期四2.观察平面偏振光透过半波片后的偏振态观察平面偏振光透过半波片后的偏振态分分别别观观察察平平面面偏偏振振光光的的振振动动面面与与1/2波波片片的的光光轴轴之之间间的的夹夹角角为为300、450、900时时，波波片片的的出出射射光光的的偏偏振振态态

14、，验验证证1/2波波片片使使入入射射的的平平面面偏偏振振光光的的振动面转过振动面转过2 角。角。（用白屏接受）（用白屏接受）第24页，共49页，编辑于2022年，星期四(1)本本实实验验只只要要确确定定光光轴轴与与透透振振方方向向的的夹夹角角。使使两两个个偏偏振振片片的的透透振振方方向向正正交交(消消光光)，在在两两偏偏振振片片之之间间，插插入入波波片片并并绕绕光光线线方方向向旋旋转转一一周周时时，在在四四个个特特定定方方位位(方方向向)将将出出现现消消光光的的特特性性，以以帮帮助助校校正正波波片片光光轴轴与与偏偏振振片片P1之间夹角的零位之间夹角的零位(零度位置零度位置)。第25页，共49页

15、，编辑于2022年，星期四(2)将波片将波片(光轴光轴)分别转动分别转动 =300、450、900时，相同时，相同方向旋转检偏器方向旋转检偏器(偏振片偏振片P2)，验证，验证1/2波片使入射的波片使入射的平面偏振光的振动面转过平面偏振光的振动面转过2 角。角。第26页，共49页，编辑于2022年，星期四3.观察平面偏振光透过观察平面偏振光透过1/4波片后的偏振态波片后的偏振态分别观察平面偏振光的振动面与分别观察平面偏振光的振动面与1/4波片的光轴波片的光轴之间的夹角为之间的夹角为150、450、900时，波片的出射光时，波片的出射光的偏振态。的偏振态。（用白屏接受）（用白屏接受）(1)与与3(

16、1)相同。相同。(2)将波片将波片(光轴光轴)分别转动分别转动=150、450、900时，相时，相同方向旋转检偏器同方向旋转检偏器(偏振片偏振片P2)，验证，验证1/4波片使波片使入射的平面偏振光分别变成椭圆偏振光、圆偏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。振光和平面偏振光。第27页，共49页，编辑于2022年，星期四附：关于光轴的确定附：关于光轴的确定本本实实验验只只要要确确定定光光轴轴与与透透振振方方向向的的夹夹角角。在在两两个个透透振振方方向向正正交交的的偏偏振振片片之之间间，插插入入波波片片并并绕绕光光线线方方向向旋旋转转一一周周时时，在在四四个个特特定定方方位位(

17、方方向向)将将出出现现消消光光的的特特性性，以以帮帮助助校校正正波波片片光光轴轴与与偏偏振片振片P1之间夹角的零位之间夹角的零位(零度位置零度位置)。注注意意：本本实实验验所所提提供供的的仪仪器器不不能能完完全全确确定定光光轴轴的的方方向向，只只能能确确定定两两个个正正交交方方向向，其其中中究究竟竟那那一一个个需需要要已已知知光光轴轴的的波波片片来来确确定定，但但这这不不影影响响实验。实验。第28页，共49页，编辑于2022年，星期四实验数据与结果实验数据与结果1.布儒斯特角：布儒斯特角：2.偏振片透振方向的记录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号偏振片：当偏振片透振方向为

18、横向(水平方向水平方向)时，时，指针所指的角度：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：所指的角度：_。第29页，共49页，编辑于2022年，星期四3、1/2波片4、1/4波片第30页，共49页，编辑于2022年，星期四实验十四实验十四.迈克耳孙干涉仪的调节和使用迈克耳孙干涉仪的调节和使用第31页，共49页，编辑于2022年，星期四1、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。满足干涉条件的光称为相干光。理论知识理论知识 2、普通光源的发光机理、普通光源的

19、发光机理 （1）自发辐射）自发辐射这是一种随机过程。这是一种随机过程。（2）特点）特点间歇性，随机性。间歇性，随机性。第32页，共49页，编辑于2022年，星期四 设两列设两列振动方向振动方向相同，相同，频率频率相同的光波，相同的光波，在空间某点相遇，在空间某点相遇，(平均相对平均相对)光强为光强为第三项为干涉项，其关键取决于积分因子。第三项为干涉项，其关键取决于积分因子。“平均平均”在于接收器接收的是相应时间内的光强的在于接收器接收的是相应时间内的光强的时间平均值。时间平均值。“相对相对”在于波动光学关心的是光强的相对分布。在于波动光学关心的是光强的相对分布。第33页，共49页，编辑于202

20、2年，星期四两个独立光波源（1）不相干情况）不相干情况不相干不相干第34页，共49页，编辑于2022年，星期四（2）相干情况）相干情况S1、S2是两个相干光波源是两个相干光波源分分波波器器在在观观察察点点相相遇遇经过不同光程经过不同光程这这样样无无论论原原子子的的发发光光如如何何改改变变，但但任任何何位位相相改改变变总总是是同同时时发发生生在在这这两两列列波波中中，这这样样观观察察点点的的位位相相差差就就取取决决于于光光程程差差，因因而而就就保保持持稳定的位相差。稳定的位相差。第35页，共49页，编辑于2022年，星期四产生相干光的两种方法第36页，共49页，编辑于2022年，星期四 设单色光

21、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：光程差：第37页，共49页，编辑于2022年，星期四迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪第38页，共49页，编辑于2022年，星期四迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪G1:分分光光板板，其其背背面面为为半半透透明明表表面面(镀镀银银薄薄层层)，其其作作用用是是将将入入射射光光束束分分成成两两束束强度几乎相等的光束。强度几乎相等的光束。G2:补偿板，其厚度和折补偿板，其厚度和折射率与射率与G1相同，其作用相同，其作用是补偿光程。是补偿光程。M1：动镜；：动镜；M2：固定镜。：固定镜。第39页，共49页，

22、编辑于2022年，星期四等等效效性性：M2经经G1的的半半反反射射表表面面成成虚虚象象于于M 2，这这样样 G1半半透透明明表表面面到到M 2与与到到M2的的光光程相等。程相等。因因此此，光光束束 1 可可看看作作由由M 2面面的的反反射射，这这就就形形成成了了M1和和M 2之之间间的的空空气气薄薄膜。膜。第40页，共49页，编辑于2022年，星期四i光程差光程差 为为dM1M2内高外低、内疏外密的圆环.第41页，共49页，编辑于2022年，星期四实验十四实验十四.迈克耳孙干涉仪的调节和使用迈克耳孙干涉仪的调节和使用一一.预习要求：仔细阅读实验十四预习要求：仔细阅读实验十四 P.156P.16

23、6二二.原理原理当当平平面面镜镜M1和和M2严严格格垂垂直直(即即M1和和M 2严严格格平平行行)时时，产产生生等等倾倾干干涉涉条条纹纹，所所有有倾倾角角为为i的的入入射射光光，由由M1和和M 2反反射射后后，它们的光程差它们的光程差 为为第42页，共49页，编辑于2022年，星期四旋动手轮使旋动手轮使d回程误差回程误差很大。很大。微调螺丝微调螺丝读数转盘读数转盘M1和和M2背后的三个螺丝背后的三个螺丝第43页，共49页，编辑于2022年，星期四当旋动手轮使当旋动手轮使d增加时，可见到条纹从中心增加时，可见到条纹从中心“涌出涌出”；当旋动手轮使当旋动手轮使d减小时，可见到条纹从中心减小时，可见

24、到条纹从中心“陷入陷入”。当考察中心处的条纹时，由于中心处当考察中心处的条纹时，由于中心处 i=0，所以，所以可见：当看到中心处的条纹可见：当看到中心处的条纹“涌出涌出”或或“陷入陷入”一个时，一个时，d 就增加或减小了半个波长；当看到中心处的条纹就增加或减小了半个波长；当看到中心处的条纹“涌出涌出”或或“陷入陷入”N个时，个时，d 的增加或减小就是的增加或减小就是我们只要测出我们只要测出 d，就可计算波长：，就可计算波长：第44页，共49页，编辑于2022年，星期四实验内容实验内容:1.用用He-Ne激光调节迈克耳孙干涉仪，并测激光波长。激光调节迈克耳孙干涉仪，并测激光波长。(N=100，重

25、复次，重复次)迈克耳孙干涉仪的调节：迈克耳孙干涉仪的调节：(1)激激光光经经M1和和M 2反反射射后后，在在观观察察屏屏上上有有两两个个最最强强的的亮亮点点，仔仔细细调调节节M1和和M2背背后后的的三三个个螺螺丝丝，改改变变M1和和M2的的相相对对方方位位，直直至至两两亮亮点点完完全全重重合合，这这时时重重合合的的亮亮点点中中往往往往可可观观察到到条暗条纹。察到到条暗条纹。(2)在在激激光光源源前前加加上上扩扩束束透透镜镜，仔仔细细缓缓慢慢地地调调节节M2下下方方的的两两个个微调螺丝，使观察屏上的干涉条纹成圆形。微调螺丝，使观察屏上的干涉条纹成圆形。(激激光光的的干干涉涉情情况况是是“不不定定

26、域域”的的，钠钠光光在在这这里里的的干干涉涉情情况况是是“定域定域”的的定域在无穷远定域在无穷远)第45页，共49页，编辑于2022年，星期四 d的测量：的测量：(1)旋转粗动手轮旋转粗动手轮(配合使用细动手轮配合使用细动手轮)，使，使M1移动，观察条移动，观察条纹变化，使视场中纹变化，使视场中(屏上屏上)出现清晰的对比度较好的干涉圆出现清晰的对比度较好的干涉圆环。环。(2)漫漫转动读数转盘，观察中心漫漫转动读数转盘，观察中心“涌出涌出”或或“陷入陷入”100圈圈时的时的d的变化量：的变化量：由此计算由此计算He-Ne激光波长。激光波长。2.测钠光波长测钠光波长(1)将光源换成钠光，这时不用观

27、察屏接受，而是用眼睛将光源换成钠光，这时不用观察屏接受，而是用眼睛直接观察等倾干涉条纹。直接观察等倾干涉条纹。(2)仔细缓慢地调节仔细缓慢地调节M2下方的两个微调螺丝，使干涉条纹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，成圆形。并且圆纹中心仅随观察者的眼睛左右上下移动，但不发生条纹的但不发生条纹的“涌出涌出”或或“陷入陷入”现象，这时观察到现象，这时观察到的条纹才是严格的等倾干涉。的条纹才是严格的等倾干涉。第46页，共49页，编辑于2022年，星期四(3)漫漫转动读数转盘，观察中心漫漫转动读数转盘，观察中心“涌出涌出”或或“陷入陷入”100圈圈时的时的d的

28、变化量：的变化量：由此计算由此计算He-Ne激光波长。激光波长。(重复重复2次次)3.测定钠光双线的波长差测定钠光双线的波长差4.调节观察白光的彩色条纹调节观察白光的彩色条纹 由于白光的相干长度非常小，因此这时的由于白光的相干长度非常小，因此这时的d要求非常小。要求非常小。第47页，共49页，编辑于2022年，星期四表格与数据表格与数据思考题：在迈克耳孙干涉仪测量波长的实验中，当分别思考题：在迈克耳孙干涉仪测量波长的实验中，当分别采用激光和钠光作为光源时，观测干涉条纹的方法有何采用激光和钠光作为光源时，观测干涉条纹的方法有何区别，为什么？区别，为什么？第48页，共49页，编辑于2022年，星期四实验十四实验十四.迈克耳孙干涉仪的调节和使用表格与数据迈克耳孙干涉仪的调节和使用表格与数据4.观察白光：观察白光：M2镜的位置大致在镜的位置大致在32mm处处(3133mm之间之间)。1.测激光波长测激光波长(公认值：公认值：632.8nm)2.测钠光波长测钠光波长(公认值：公认值：589.3nm)3.测定钠光双线的波长差测定钠光双线的波长差(公认值：公认值：0.6nm)第49页，共49页，编辑于2022年，星期四