偏振光的测定实验课件.ppt

1、第三轮实验第三轮实验1、偏振现象的观测与分析（实验十）、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）、迈克耳孙干涉仪的调节和使用（实验十四）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。垂直于图面向垂直于图面向外传播的线偏外传播的线偏振光振光 线偏振光的图示法线偏振光的图示法)(ak振动方向振动方向

2、振动面振动面传播方向传播方向E)(bk2、自然光、自然光 在与传播方向垂直的平面内，在与传播方向垂直的平面内，在所有可能的方向上，在所有可能的方向上，E的振幅的振幅都相等，这样的光称为自然光。都相等，这样的光称为自然光。xyzk总可以分解成两个互相垂直总可以分解成两个互相垂直的、振幅相等的、彼此独立的光的、振幅相等的、彼此独立的光振动。振动。，并各占自然光总光强的，并各占自然光总光强的一半。一半。1E2E 自然光的表示法自然光的表示法k2、部分偏振光、部分偏振光部分偏振光是偏振态介于自然光和线偏振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光之间的光，它的振动方

3、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，振化着。但是在某一方向上的振动占有优势，振幅最大。幅最大。与之垂直的方向振幅最小，其振幅情与之垂直的方向振幅最小，其振幅情况可用图表示。况可用图表示。自然光最大方向最小方向椭圆包络线部分偏振光4、椭圆偏振光和圆偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光对于线偏振光，光波对于线偏振光，光波场中任意一个场点的光矢场中任意一个场点的光矢量量(电矢量电矢量)的端点在波面内的端点在波面内描绘的轨迹为一直线。描绘的轨迹为一直线。椭圆偏振光：椭圆偏振光：椭圆偏振光椭圆偏振光的相应的轨迹为一椭圆。的相应的轨迹为一椭圆。如图所示。如图所示。波面E圆偏振光：圆偏振光：圆偏

4、振光是椭圆偏振光的一个特例，任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，但方向以角速度一场点的光矢量大小不变，但方向以角速度 (光波的圆频率光波的圆频率)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。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任何偏振态都可以分成两个光矢量互相垂直的线偏振光。垂直的线偏振光。5.偏振片（器）：只让某一振偏振片（器）：只让某一振动方向的光通过。称这一方动方向的光通过。称这一方向为偏振片的透振方向。向为偏振片的透振方向。偏振片的透振偏振片的透振方向方向实

5、验：机械波通过狭缝实验：机械波通过狭缝一、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201II?2I0I AA =Acos 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晶体的一个最主要的普遍性质各向各向异性异性。在光学中，主要是指光沿不同方向具。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，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。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

6、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一片单轴晶体的平行平面板，其光轴与表一片单轴晶体的平行平面板，其光轴与表面平行。面平行。ovevdovevd当一束平行当一束平行线偏振光线偏振光光束垂直入射到波片光束垂直入射到波片上，将分解成的上，将分解成的o光和光和e光，光，o光和光和e光沿同一方光沿同一方向传播，但它们的传播速度不同，分别为向传播，但它们的传播速度不同，分别为vo和和ve，折射率分别为折射率分别为no和和ne。波片：波片：波片有一个特殊方向，称之为波片有一个特殊方向，称之为光轴。它使入射的光轴。它使入射的线偏振光线偏振光分分成相互成相互垂直垂直的具有一的具有一定位相差定

7、位相差的两个线偏振光。其中一个线的两个线偏振光。其中一个线偏振光的振动方向垂直于光轴，偏振光的振动方向垂直于光轴，另一个平行于光轴。另一个平行于光轴。波片的光轴波片的光轴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dnneo)(2相位差取决于波相位差取决于波长和波片厚度。长和波片厚度。在实际中，最常用的波片是在实际中，最常用的波片是1/4波片和波片和1/2波片，波片，当2，当称为称为1/4波片波片称为称为1/2波片波片ovevd 振幅振幅eAoAAC单色自然光单色自然光自然光（不能形自

8、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）dCPS椭圆偏振椭圆偏振光光线偏振光线偏振光椭圆偏振器椭圆偏振器一、布儒斯特定律一、布儒斯特定律1 1、现象：一束自然光射到、现象：一束自然光射到两种介质的分界面上，两种介质的分界面上，发现发现1i2i1n2n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？反射

9、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。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。光矢量较强的部分偏振光。讨论在什么特殊条件讨论在什么特殊条件下，反射光成为线偏振光？下，反射光成为线偏振光？1i2i1n2n2、布儒斯特定律（、布儒斯特定律（1813年）年）当入射角等于某一特定角当入射角等于某一特定角 i10 时，反射时，反射光成为振动面垂直于入射面的线偏振光，光成为振

10、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，满足称为布儒斯特角或起偏角，满足1210tannni又又12210sinsinnnii所以所以021090ii反射光与折射光互相垂直反射光与折射光互相垂直10i2i1n2n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

11、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。(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折射率布儒斯特角计算玻璃的折射率n。(5)偏振片偏振片1透射方向在入射面内透射方向在入射面内，记录偏振片记录偏振片1的透振方向的角度。由偏振片的透振方向的角度。由偏振片1透射方向可确透射方向可确定定偏振片偏振片2透射方向，透

12、射方向，记录偏振片记录偏振片2的透振方向的透振方向的角度。的角度。，12Bi布儒斯特角：布儒斯特角：Btgin 玻璃的折射率为：i涂黑玻璃G偏振片P白屏D激光NeHe 圆孔屏1.测定玻璃的布儒斯特角测定玻璃的布儒斯特角iB和偏振片和偏振片(1)、(2)的主的主截面截面(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。i涂黑玻璃G偏振片P白屏D激光NeHe 圆孔屏三三.实验内容实验内容(1)如图

13、所示，调如图所示，调节玻璃平板使反节玻璃平板使反射光束与入射光射光束与入射光束重合，记下初束重合，记下初始角始角 1。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1/2波片的光轴波片的光轴之间的夹角为之间的夹角为300、450、900时，波片的出射光时，波片的出射光的偏振态，验证的偏振态，验证1/2波片使入射的平面偏振光的波片使入射的平面偏振光的振动面转过振动面转过2 角。角。（用白屏接受）（用白屏接受）偏振片1P白屏D激光NeHe 偏振片2P波片(1)本实验只要确定光轴与透振方向的夹角。使本实验只要确定光轴

14、与透振方向的夹角。使两个偏振片的透振方向正交两个偏振片的透振方向正交(消光消光)，在两偏振片，在两偏振片之间，插入波片并绕光线方向旋转一周时，在之间，插入波片并绕光线方向旋转一周时，在四个特定方位四个特定方位(方向方向)将出现消光的特性，以帮助将出现消光的特性，以帮助校正波片光轴与偏振片校正波片光轴与偏振片P1之间夹角的零位之间夹角的零位(零度零度位置位置)。偏振片1P白屏D激光NeHe 偏振片2P波片偏振片1P白屏D激光NeHe 偏振片2P波片(2)将波片将波片(光轴光轴)分别转动分别转动 =300、450、900时，时，相同方向旋转检偏器相同方向旋转检偏器(偏振片偏振片P2)，验证，验证1

15、/2波片波片使入射的平面偏振光的振动面转过使入射的平面偏振光的振动面转过2 角。角。偏振片1P白屏D激光NeHe 偏振片2P波片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(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

16、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。附：关于光轴的确定附：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，在四个特定方位光线方向旋转一周时，在四个特定方位(方向方向)将出现消光的特性，以帮助校正波片光轴与偏将出现消光的特性，以帮助校正波片光轴与偏振片振片P1之间夹角的零位之间夹角的零位(零度位置零度位置)。注意：本实验所提供的仪器不能完全确定光轴注意：本实验所提供

17、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，但这不影响一个需要已知光轴的波片来确定，但这不影响实验。实验。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：名 称次 数初 始 值12布 儒 斯 特 角Bi折 射 率 n12Btgin 玻璃的折射率为：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，指号偏振片：当偏振片透振方向为竖直方向

18、时，指针所指的角度：针所指的角度：_。3、1/2波片光轴与起偏器透振方向的夹角消光时波片指针初始值0波片指针值检偏器指针初始值消光时检偏器指针值偏振光振动面转动角度结论300450900光轴与起偏器透振方向的夹角消光时波片指针初始值0波片指针值检偏器指针初始值检偏器转动一周强弱变化情况出射光的偏振态1504509004、1/4波片实验十四实验十四.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1、干涉的必要条件、干涉的必要条件A.频率相同；频率相同；B.存在相互平行的振动分量；存在相互平行的振动分量；C.位相差恒定。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

19、知识理论知识 （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。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在于接收器接收的是相应时间内的光强的时间平均值。强的时间平均值。“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。P1s2s122331两个独立光波源两个独立光波源（1）不相干情况）不相干

20、情况不相干不相干（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s1232311s2s分波器分波器在观察在观察点相遇点相遇经过不同光程经过不同光程这样无论原子的这样无论原子的发光如何改变，但任何发光如何改变，但任何位相改变总是同时发生位相改变总是同时发生在这两列波中，这样观在这两列波中，这样观察点的位相差就取决于察点的位相差就取决于光程差光程差，因而就保持，因而就保持稳定的位相差。稳定的位相差。设单色光分成两束光，两束相干光在不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同媒质所经历的几何路程为r1、r2，相遇后它，相遇后它们的相位差为们的相位差为定义：光程定义

21、：光程=n r光程差：光程差：1122rnrn21SL1M2M1G2GE211G1:分光板，其背面为半分光板，其背面为半透明表面透明表面(镀银薄层镀银薄层)，其，其作用是将入射光束分成两作用是将入射光束分成两束强度几乎相等的光束。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。等效性：等效性：M2经经G1的半反的半反射表面成虚象于射表面成虚象于M 2，这，这样样 G1半透明表面到半透明表面到M 2与到与到M2的光程相等。的光程相等。SL1M2M1G2GE21212M1因此

22、，光束因此，光束 1 可看作由可看作由M 2面的反射，这就形面的反射，这就形成了成了M1和和M 2之间的空之间的空气薄膜。气薄膜。i光程差光程差 为为id cos2dM1M2内高外低、内疏内高外低、内疏外密的圆环外密的圆环.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.166二二.原理原理当平面镜当平面镜M1和和M2严格垂直严格垂直(即即M1和和M 2严格平行严格平行)时，时，产生等倾干涉条纹，所有倾产生等倾干涉条纹，所有倾角为角为i的入射光，由的入射光，由M1和和M 2反射后，它们的光程差反射后

23、，它们的光程差 为为id cos2)(2cos2为整数相消相长当kkkids1M2M2Md)1()2()1()2(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2 2kdkd即 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”一个一个时

24、，时，d 就增加或减小了半个波长；当看到中心处的条就增加或减小了半个波长；当看到中心处的条纹纹“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2Nd 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：Nd2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)激光经激光经M1和和M 2反射后，在观察屏上有两个最强的亮反射后，在观察屏上有两个最强的亮点，仔细调节点，仔细调节M1和和M2背后的三个螺丝，改变背后的三个螺丝，

25、改变M1和和M2的相对方位，直至两亮点完全重合，这时重合的的相对方位，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。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，仔细缓慢地调节在激光源前加上扩束透镜，仔细缓慢地调节M2下方下方的两个微调螺丝，使观察屏上的干涉条纹成圆形。的两个微调螺丝，使观察屏上的干涉条纹成圆形。(激光的干涉情况是激光的干涉情况是“不定域不定域”的，钠光在这里的干的，钠光在这里的干涉情况是涉情况是“定域定域”的的定域在无穷远定域在无穷远)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，观移动，观察

26、条纹变化，使视场中察条纹变化，使视场中(屏上屏上)出现清晰的对比度较好出现清晰的对比度较好的干涉圆环。的干涉圆环。(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“陷陷入入”100圈时的圈时的d的变化量：的变化量：12ddd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，这时不用观察屏接受，而是用眼将光源换成钠光，这时不用观察屏接受，而是用眼睛直接观察等倾干涉条纹。睛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

27、纹成圆形。并且圆纹中心仅随观察者的眼睛左右上下移动，但不发生条纹的下移动，但不发生条纹的“涌出涌出”或或“陷入陷入”现象，现象，这时观察到的条纹才是严格的等倾干涉。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，观察中心漫漫转动读数转盘，观察中心“涌出涌出”或或“陷陷入入”100圈时的圈时的d的变化量：的变化量：12ddd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。表格与数

28、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区别，为什么？方法有何区别，为什么？测量次数 涌出(陷入)圈数M1初位置d1(mm)M1末位置d2(mm)差值d波长(nm)12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)。测量次数 涌出(陷入)圈数M1初位置d1(mm)M1末位置d2(mm)差值d波长(nm)110034.97474 34.942980.03176635.2210034.94298 34.911300.03168633.61.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)nmmmd5996.0A996.5 )(2896.05718.348614.34数据：