《工程光学实验》PPT课件.ppt

工程光学实验 主讲教师：李晶 闽南理工学院 实践教学中心 目 录 光学实验预备知识 2 实验一 用自准法测薄凸透镜焦距f 5 实验二 用位移法测薄凸透镜焦距f 7 实验三 目镜焦距fe的测量 9 实验四 自组显微镜 11 实验五 自组透射式幻灯机（投影系统） 13 实验六 测节点位置及透镜组焦距 15 实验七 菲涅尔双棱镜干涉 18 实验八 偏振光分析 21 光学实验预备知识 返回 光学实验是普通物理实验的一个重要部分。这里先介绍光学实验中经常用到的 知识和调节技术。初学者在做实验以前应认真阅读这些内容，并且在实验中遵 守有关规则和灵活运用有关知识。 一、光学元件和仪器的维护 透镜、棱镜等光学元件，大多数是用光学玻璃制成的。它们的光学表面都是经 过仔细的研磨和抛光，有些还镀有一层或多层薄膜。对这些元件或其材料的光 学性能（例如折射率、反射率、透射率等）都有一定的要求，而它们的机械性 能和化学性能可能很差，若使用和维护不当，则会降低光学性能甚至损坏报废 。造成损坏的常见原因有：摔坏、磨损、污损、发霉、腐蚀等。为了安全使用 光学元件和仪器，必须遵守以下规则： 必须在了解仪器的操作和使用方法后方可使用。 轻拿轻放，勿使仪器或光学元件受到冲击或震动，特别要防止摔落。不使用的 光 学元件应随时装入专用盒内并放入平台的箱子内，最好放入干燥器中保存。 切忌用手接触元件的光学表面。如必需用手拿光学元件时，只能接触其磨沙面 ， 如透镜的边缘、棱镜的上下底面等（如预备图1）。 光学表面上如有灰尘，用实验室专备的干燥脱脂棉轻轻拭去或 用橡皮球吹掉。 光学表面上若有轻微的污痕或指印，用清洁的镜头纸轻轻拂去 ，但不要加压擦拭， 更不准用手帕、普通纸片、衣服等擦拭。若表面有较严重的污 痕或指印，应由实验室人员用丙酮或酒精清洗。所有镀膜面均 不能接触或擦拭。 防止唾液或其溶液溅落在光学表面上。 调整光学仪器时，要耐心细致，一边观察一边调整，动作要轻 、慢，严禁盲目及 粗鲁操作。 仪器用毕后应放回箱内或加罩，防止灰尘沾污。 二、消视差 光学实验中经常要测量像的位置和大小，经验告诉我们，要测 准物体的大小，必须将量度标尺与被测物体紧贴在一起。如果 标尺远离被测物体，读数将随眼睛的位置不同而有所改变，难 以测准，如预备图2所示。可是在光学实验中被测物往往是一 个看得见摸不着的像，怎样才能确定标尺和待测像是紧贴在一 起的呢？利用“视差”现象可以帮助我们解 决这个问题。为了认识“视差”现象，读者可做一简单实验：双手各伸 出一只手指，并使一指在前，一指在后相隔一定距离，且两指平行。 用一只眼睛观察，当左右（或上下）晃动眼睛时（眼睛移动方向应与 被观察手指垂直），就会发现两指间有相对移动，这种现象称为“视差 ”。而且还会看到离眼近者，其移动方向与眼睛移动方向相反；离眼远 者则与眼睛移动方向相同。若将两指紧贴在一起，则无上述现象，即 无“视差”。由此可以利用视差现象来判断测像与标尺是否紧贴。若待 测像和标尺间有视差，说明它们没有紧贴在一起，则应该稍稍调节像 或标尺位置，并同时微微晃动眼睛观察，直到它们之间无视差后方可 进行测量。这一调节步骤，我们常称之为“消视差”。在光学实验中，“ 消视差”常常是测量前必不可少的操作步骤。 三、共轴调节 光学实验中经常要用一个或多个透镜成像。为了获得质量好的像，必须使各个 透镜的主光轴重合（即共轴）并使物体位于透镜的主光轴附近。此外透镜成像 公式中的物距、像距等都是沿主光轴计算长度的，为了测量准确，必须使透镜 的主光轴与带有刻度的标尺平行。为了达到上述要求的调节我们统称为共轴调 节。调节方法如下： 1、粗调，将光源、物和透镜靠拢，调节它们的取向和高低左右位置，凭眼睛 观察，使它们的中心处在一条和标尺平行的直线上，使透镜的主光轴与标尺平 行，并且使物（或物屏）和成像平面（或像屏）与平台垂直。这一步因单凭眼 睛判断，调节效果与实验者的经验有关，故称为粗调。通常应再进行细调（要 求不高时可只进行粗调）。 2、细调，这一步骤要靠其他仪器或成像规律来判断和调节。不同的装置可能 有不同的具体调节方法。下面介绍物与单个凸透镜共轴的调节方法。 使物体与单个凸透镜共轴实际上是指将物上的某一点调到主光轴上。要解决这 一问题，首先要知道如何判断物上的点是否在透镜的主光轴上。根据凸透镜成 像规律即可判断。如预备图3所示，当物AB与像屏之间的距离b大于4f时，将 凸透镜沿光轴移到O1或O2位置都能在屏上成像，一次成大像A1B1，一次成 小像A2B2。物点A位于光轴上，则两次 像的A1和A2点都在光轴上而且重合。物点B不在光轴上，则两次像 的B1和B2一定都不在光轴上，而且不重合。但是，小像的B2点总是 比大像的B1点更接近光轴。由此可知，若要将B点调到凸透镜光轴上 ，只需记住像屏上小像的B2点位置（屏上贴有坐标纸供记录位置时作 参照物），调节透镜（或物）的高低左右，使B1向B2靠拢。这样反 复调节几次直到B1与B2重合，即说明B点已调到透镜的主光轴上了 。 若要调多个透镜共轴，则应先将物上B点调到一个凸透镜的主光轴 上，然后，同样根据轴上物点的像总在轴上的原理，逐个增加待调透 镜，调节它们使之逐个与第一个透镜共轴。 实验一 用自准法测薄凸透镜 焦距f 返回 一、实验目的 掌握简单光路的分析和调整方法 了解、掌握自准法测凸透镜焦距的原理及方法 二、实验原理 当发光点（物）处在凸透镜的焦平面时，它发出的光线通过透 镜后将成为一束平行光。若用与主光轴垂直的平面镜将此平行 光反射回去，反射光再次通过透镜后仍会聚于透镜的焦平面上 ，其会聚点将在发光点相对于光轴的对称位置上。 三、实验仪器 1、带有毛玻璃的白炽灯光源S 2、品字形物屏P： SZ14 3、凸透镜L： f=190mm(f=150mm) 4、二维调整架： SZ07 5、平面反射镜M 二维调整架： SZ07 7、通用底座： SZ04 8、二维底座： SZ02 9、通用底座： SZ04 10、通用底座： SZ04 四、仪器实物图及原理图 图一 五、实验步骤 1、把全部元件按图一的顺序摆放在平 台上，靠拢，调 至共轴。而后拉开 一定的距离。可调成如图一所示的距离 2、前后移动凸透镜L，使在物屏P上成 一清晰的品字形像。 3、调M的倾角，使P屏上的像与物重 合。 4、再前后微动透镜L，使P屏上的像既 清晰又与物同大小。 5、分别记下P屏和透镜L的位置a1、a2。 6、把P屏和透镜L都转180度，重复做前四 步。 7、再记下P和L的新位置b1、b2。 8、分别把f=150mm和f=190mm的透镜 各做一遍，并比较实验值和真实值的差异， 并分析其原因。 9、老师可选择更多规格的透镜进行实验。 （选做） 六、数据处理 被测透镜焦距：f=(fa+fb)/2 实验二 用位移法测薄凸透镜 焦距f 返回 一、实验目的 了解、掌握位移法测凸透镜焦距的原理及方法 二、实验原理 对凸透镜而言，当物和像屏间的距离L大于4倍焦距时，在它们之间移 动透镜，则在屏上会出现两次清晰的像，一个为放大的像，一个为缩 小的像。分别记下两次成像时透镜距物的距离O1、O2(e=|O1O2|) ，距屏的距离O1、O2 根据光线的可逆性原理，这两个位置是“对称 ”的。即 O1=O2，O2=O1 则：Le= O1 O2O1O2 O1=O2(Le)/ 而O1= LO1L(Le)/(L+e)/2 把结果带入透镜的牛顿公 式1/s+1/s=1/f 得到透镜的焦距为由此便可算得透镜的焦距，这个方法的优点 是，把焦距的测量归结为对于可以精确测定的量L和e的测量， 避免了在测量u和v时，由于估计透镜中心位置不准确所带来的 误差。 三、实验仪器 带有毛玻璃的白炽灯光源S 2、品字形物屏P： SZ14 3、凸透镜L： f=190mm(f=150mm) 4、二维调整架： SZ07 5、白屏H： SZ13 6、通用底座： SZ04 7、二维底座： SZ02 8、通用底座： SZ04 9、通用底座： SZ04 四、仪器实物图及原理图（见图二） 五、实验步骤 把全部器件按图二的顺序摆放在平台上，靠拢后目 测调至共轴，而后再使物屏P和白屏H之间的距离大 于4倍焦距。 沿标尺前后移动L，使品字形物在白屏H上成一清晰 的放大像，记下L的位置a1。 再沿标尺向后移动L，使物再在白屏H上成一缩小像 ，记下L的位置a2。 将P、L、H转180度，重复做前三步，又得到L的两 个位置b1、b2。 分别把f=150mm和f=190mm的透镜各做一遍， 并比较实验值和真实值的差异并分析其原因。 老师可选择更多规格的透镜进行实验。（选做） 六、数据处理 透镜焦距： f=(fa+fb)/2 图二 实验三 目镜焦距fe的测量 返回 一、实验目的 了解、掌握用测量物像放大率来求目镜 焦距fe的原理及方法 二、实验原理 焦距的测量可以归结为测量焦点到光学 系统的某一指定点的距离。 测量焦距时，常用到牛顿公式： 。 若物空间和像空间的光学介质相同，则 。 线放大率：。 三、实验仪器 1、带有毛玻璃的白炽灯光源S 2、1/10mm分划板F 3、二维调整架： SZ07 4、被测目镜Le(fe=14mm) 5、可变口径二维架： SZ05 6、测微目镜L(去掉其物镜头的读数显微镜) 7、读数显微镜架 : SZ38 8、三维底座： SZ01 9、一维底座： SZ03 10、一维底座： SZ03 11、通用底座： SZ04 四、仪器实物图及原理图 图三 五、实验步骤 把全部器件按图三的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴 。 在F、Le、L的底座距离很小的情况下，前后移动Le，直至在 测微目镜L中看到清晰的1/10mm的刻线，并使之与测微目镜 中的标尺（mm刻线）无视差。 测出1/10mm刻线的宽度，求出其放大倍率m1，并分别记下 L和Le的位置a1、b1。 把测微目镜L向后移动3040mm，再慢慢向前移动Le，直 至在测微目镜L中又看到清晰且与毫米标尺刻线无视差的 1/10mm的刻线像。 再测出像宽，求出m2，记下L和Le的位置a1、b2。 六、数据处理 mx=(像宽/实宽)20 （20为测微目镜的放大倍数） 像距改变量：s=(a1a2)+(b2b1) 被测目镜焦距：fe=s/(m2m1) 实验四 自组显微镜 返回 一、实验目的 了解显微镜的基本原理和结构，并掌握其调节、使用和测量它 的放大率的一种方法。 二、实验原理 物镜Lo的焦距fo很短，将F1放在它前面距离略大于fo的位 置，F1经Lo后成一放大实像F1，然后再用目镜Le作为放大 镜观察这个中间像F1，F1应成像在Le的第一焦点Fe之内， 经过目镜后在明视距离处成一放大的虚像F1。 三、实验仪器 1、带有毛玻璃的白炽灯光源S 2、1/10mm分划板F1 3、二维调整架： SZ07 4、物镜Lo： fo=15mm 5、二维调整架： SZ07 6、测微目镜Le（去掉其物镜头的读数显微镜） 7、读数显微镜架 : SZ38 8、三维底座： SZ01 9、一维底座： SZ03 10、一维底座： SZ03 11、通用底座： SZ04 四、仪器实物图及原理图 图四（1） 图四（2） 五、实验步骤 1、把全部器件按图四的顺序摆放在平台上，靠拢后 目测调至共轴。 2、把透镜Lo、Le的间距固定为180mm。 3、沿标尺导轨前后移动F1（F1紧挨毛玻璃装置， 使F1置于略大于fo的位置），直至在显微镜系统中 看清分划板F1的刻线。 六、数据处理 显微镜的计算放大率：M（250 ）/（f0fe ） 其中： =f0fe ，见图示。 本实验中的fe=250/20(计算方法可参考光学书籍) 实验五 自组透射式幻灯机 返回 一、实验目的 了解幻灯机的原理和聚光镜的作用，掌握对透射式投影光路系统的调 节。 二、实验原理 幻灯机能将图片的像放映在远处的屏幕上，但由于图片本身并不发光 ，所以要用强光照亮图片，因此幻灯机的构造总是包括聚光和成像两 个主要部分，在透射式的幻灯机中，图片是透明的。成像部分主要包 括物镜L、幻灯片P和远处的屏幕。为了使这个物镜能在屏上产生高倍 放大的实像。幻灯片P必须放在物镜L的物方焦平面外很近的地方，使 物距稍大于L的物方焦距。 聚光部分主要包括很强的光源（通常采用溴钨灯）和透镜L1L2构成 的聚光镜。聚光镜的作用是一方面要在未插入幻灯片时，能使屏幕上 有强烈而均匀的照度， 并且不出现光源本身结构（如灯丝等）的像；一经插入幻灯片 后，能够在屏幕上单独出现幻灯图片的清晰的像。另一方面， 聚光镜要有助于增强屏幕上的照度。因此，应使从光源发出并 通过聚光镜的光束能够全部到达像面。为了这一目的，必须使 这束光全部通过物镜L，这可用所谓“中间像”的方法来实现。 即聚光器使光源成实像，成实像后的那些光束继续前进时，不 超过透镜L边缘范围。光源的大小以能够使光束完全充满L的整 个面积为限。聚光镜焦距的长短是无关紧要的。通常将幻灯片 放在聚光器前面靠近L2的地方，而光源则置于聚光器后2倍于 聚光器焦距之处。聚光器焦距等于物镜焦距的一半，这样从光 源发出的光束在通过聚光器前后是对称的，而在物镜平面上光 源的像和光源本身的大小相等。 三、实验仪器 1、带有毛玻璃的白炽灯光源S 2、聚光镜L1： f1=50mm 3、二维调整架： SZ07 4、幻灯底片P 5、干板架： SZ12 6、放映物镜L2： f2=190mm 7、二维调整架： SZ07 8、白屏H： SZ13 9、三维底座： SZ01 10、一维底座： SZ03 11、二维底座： SZ02 12、一维底座： SZ03 13、通用底座： SZ04 四、仪器实物图及原理图（见图六） 图六 五、实验步骤 把全部仪器按图六的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴 。 将L2与H的间隔固定在间隔所能达到的最大位置，前后移动P ，使其经L2在屏H上成一最清晰的像。 将聚光镜L1紧挨幻灯片P的位置固定，拿去幻灯片P，沿导轨 前后移动光源S，使其经聚光镜L1刚好成像于白屏H上。 再把底片P放在原位上，观察像面上的亮度和照度的均匀性。 并记录下所有仪器的位置，并算U1、U2、V1、V2的大小。 把聚光镜L1拿去，再观察像面上的亮度和照度的均匀性。 注：演示其现象时的参考数据为U1=35，V1=35，U2=300 ，V2=520。和计算焦距时的数据并不相同。 六、数据处理 放映物镜的焦距：f2=M/(M+1)平方D2 聚光镜的焦距： f1=D1/(M+1)D1 /(M+1)平方 实验六 测节点位置及透镜组 焦距 返回 一、实验目的 了解透镜组节点的特性，掌握测透镜组节点的方法 。 二、实验原理 光学仪器中的共轴球面系统、厚透镜、透镜组，常 把它作为一个整体来研究。这时可以用三对特殊的 点和三对面来表征系统在成像上的性质。若已知这 三对点和三对面的位置，则可用简单的高斯公式和 牛顿公式来研究其成像规律。共轴球面系统的这三 对基点和基面是：主焦点（F，F）和主焦面，主点 （H，H）和主平面，节点（N，N）和节平面。如 附图1， 附图1 附图2 实际使用的共轴球面系统透镜组，多数 情况下透镜组两边的介质都是空气，根据几 何光学的理论，当物空间和像空间介质折射 率相同时，透镜组的两个节点分别与两个主 点重合，在这种情况下，主点兼有节点的性 质，透镜组的成像规律只用两对基点（焦点 ，主点）和基面（焦面，主面）就完全可以 确定了。 根据节点定义，一束平行光从透镜组左方入射，如 附图2，光束中的光线经透镜组后的出射方向，一般 和入射方向不平行，但其中有一根特殊的光线，即 经过第一节点N的光线PN，折射后必须通过第二节 点N且出射光线NQ平行于原入射光线PN。 设NQ与透镜组的第二焦平面相交于F点。由焦平 面的定义可知，PN方向的平行光束经透镜组会聚于 F点。 若入射的平行光的方向PN与透镜组光轴平行时，F 点将与透镜组的主焦点F重合，如附图3 综上所述节点应具有下列性质：当平行光入射透镜组时，如果绕透镜 组的第二节点N微微转过一个小角，则平行光经透镜组后的会聚点F 在屏上的位置将不横移，只是变得稍模糊一点儿，这是因为转动透镜 组后入射于节点N的光线并没有改变原来入射的平行光的方向，因而 NQ的方向也不改变，又因为透镜组是绕N点转动，N点不动， 附图3 所以 NQ线也不移动，而像点始终在NQ线上，故 F点不会有横向移动，至于NF的长度，当然会随 着透镜组的转动有很小的变化，所以F点前后稍有 移动，屏上的像会稍有模糊一点。反之，如果透镜 组绕N点以外的点转动，则F点会有横向移动，利 用节点的这一特性构成了下面的测量方法。使用一 个能够转动的导轨，导轨侧面装有刻度尺，这个装 置就是节点架。把透镜组装在可以旋转的节点架的 导轨上，节点架前是一束平行光，平行光射向透镜 组。 接着将透镜组在节点架上前后移动，同时使架做微 小的转动。两个动作配合进行，直到能得到清晰的 像，且不发生横移为止。这时转动轴必通过透镜组 的像方节点N，它的位置就被确定了。并且当N与 H重合时， 从转动轴到屏的距离为N F，即为透镜组的像方焦 距f。把透镜组转180度，使光线由L2进入，由L1 射出。利用同样的方法可测出物方节点N的位置。 三、实验仪器 1、带有毛玻璃的白炽灯光源S 2、1/10mm分划板F 3、二维调整架： SZ07 4、物镜Lo： fo=190mm 5、二维调整架： SZ07 6、透镜组L1、L2： f1=220mm，f2=300mm 7、节点架： SZ25 8、测微目镜Le（去掉其物镜头的读数显微镜） 9、读数显微镜架 : SZ38 10、三维底座： SZ01 11、一维底座： SZ03 12、一维底座： SZ03 13、一维底座： SZ03 14、通用底座： SZ04 15、白屏H： SZ13 四、仪器实物图及原理图 图七 五、实验步骤 调节由F，Lo组成的“平行光管”使其出平行光，可借助于对无 穷远调焦的望远镜来实现。 将“平行光管”、待测透镜组、测微目镜，按图七的顺序摆放在 平台上，目测调至共轴。 前后移动测微目镜，使之能看清F处分划板刻线的像。 沿节点调节架导轨前后移动透镜组，（同时也要相应地移动测 微目镜），直至转动平台时，F处分划板刻线的像无横向移动 为止，此时像方节点N落在节点调节架的转轴上。 用白屏H代替测微目镜，使分划板刻线的像清晰的成于白屏H 上，分别记下屏和节点调节架在标尺导轨上的位置a、b，再在 节点调节架的导轨上记下透镜组的中心位置（用一条刻线标记 ）与调节架转轴中心（0刻线的位置）的偏移量d。 把节点调节架转180度，使入射方向和出射方向相互颠倒，重 复3、4、5步，从而得到另一组数据a、b、d。 六、数据处理 1、像方节点N偏离透镜组中心的距离为：d 透镜组的像方焦距：f=ab 物方节点N偏离透镜组中心的距离为：d 透镜组的物方焦距为：f=ab 2、用1：1的比例画出该透镜组及它的各个节点的相对位置。 实验七 菲涅尔双棱镜干涉 返回 一、实验目的 观察双棱镜干涉现象及测定光波波长 二、实验原理 利用光的干涉现象进行光波波长的测量，首先要获得两束相干 光，使之重叠形成干涉，干涉条纹的空间分布既跟条纹与相干 光源之间的相对位置有关，又跟光波波长有关，从它们之间的 关系式就能测出光波波长。 本实验利用双棱镜获得两束相干光，如附图5所示，双棱镜是 由两块底边相接、折射棱角小于1度的直角棱镜组成的，从单 缝S发出的单色光的波阵面，经双棱镜折射后形成两束互相重 叠的光束，它们相当于从狭缝S的两个虚像S1和S2射出 的两束相干光。于是在波束重叠的区域内产生了干涉，在该区 域内放置的屏上可以观测到干涉条纹。 如附图6所示，设S1与S2的间距为d，缝S至观察屏的距离为 D，O为观察屏上距S1和S2等距的点，由S1和S2射来的两束 光在O点的光程差为零，故在O点处两光波互相加强形成零级 亮条纹，而在O点两侧，则排列着明暗相间的等距干涉条纹。 附图5 附图6 对于屏上距O 点 为x的P点。当Dd。Dx时，有d=x/因为D 故dx/D 即=xd/D 根据相干条件，当光程差满足： （1）=2k()时，即在x=k处（k=0、1、2、），产生亮条纹。 （2）=（2k1）时，即在x=（2k1）处（k=0、1、2、），产 生暗条纹。 因此，两相邻亮条纹（或暗条纹）间的距离为 干涉条纹的间距为： x=xk+1xk=d两个狭缝中心的间距 单色光波波长 D狭缝屏到观测屏（测微目镜焦平面）的距离 从实验中测得D，d以及x，即可由上式算出波长。 三、实验仪器 1、钠光灯（可加圆孔光阑） 2、凸透镜L： f=50mm 3、二维调整架： SZ07 4、单面可调狭缝： SZ22 5、二维调整架： SZ07 6、菲涅尔双棱镜： 7、测微目镜Le（去掉其物镜头的读数显微镜） 8、读数显微镜架 : SZ38 9、三维底座： SZ01 10、二维底座： SZ02 11、一维底座： SZ03 12、一维底座： SZ03 13、凸透镜L： f=150mm 14、二维调整架： SZ07 15、通用底座： SZ01 四、仪器实物图及原理图（见图十） 图十 五、实验步骤 1、把全部仪器按照图十的顺序在平台上摆放好( 图上数值均为参考数值)，并调成共轴系统。钠光灯 （可加圆孔光阑）经透镜L聚焦于狭缝上。调节单缝 和双棱镜的棱脊平行，而且由单缝射出的光对称地 照在棱脊的两侧。 2、用白屏H或直接用眼睛观测到干涉条纹后，再用 测微目镜中观测。使相干光束处在目镜视场中心， 并调节单缝和棱脊的平行度，使干涉条纹最清晰。 双棱镜干涉图样，应为等间隔的明暗相间的干涉条 纹。 3、用测微目镜测出干涉条纹的间距x，测出 单缝到测微目镜叉丝分划板的距离D，再用 二次成像法测出两个虚光源的间距d，由 x=xk+1xk=便可求出光波的波长，并与钠 灯的波长实际值比较，分析误差原因。（二 次成像法，在数据处理中有讲解）。 六、数据处理 二次成像法： 保持图中狭缝、双棱镜的位置不动，加入一已知焦 距f=150的透镜放在双棱镜后，使单缝与测微目镜 间的距离D4f，移动透镜成像时，可以在两个不同 的位置上，从目镜中看到一大一小两个清晰的缝像 （既虚光源S1、S2的像），测出两个清晰的像间距 d1及d2，根据物象公式，虚光源S1、S2的间距d= （第一成像）。d=(第二次成像)而s1=，=s2，故 即 代入公式即可求出 波长。 实验八 偏振光分析 返回 一、实验目的 观察光的偏振现象，分析偏振光，起偏，定光轴 二、实验原理 偏振光的基本概念 光是电磁波，它的电矢量E和磁矢量H相互垂直，且均垂直 于光的传播方向c，通常用电矢量E代表代表光的振动方向，并 将电矢量E和光的传播方向c所构成的平面称为光振动面。在传 播过程中，电矢量的振动方向始终在某一确定方向的光称为平 面偏振光 或线偏振光，如附图15（a）。光源发射的光是由大量原子或 分子辐射构成的。由于大量原子或分子的热运动和辐射的随机 性，它们所发射的光的振动面，出现在各个方面的几率是相同 的。故这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光 附图15（b）。在发光过程中，有些光的振动面在某个特定方 向上出现的几率大于其他方向，即在较长时间内电矢量在某一 方向上较强，这种的光称为部分偏振光，如图附图15（c）所 示，还有一些光，其振动面的取向和电矢量的大小随时间作有 规律的变化，而电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹 呈椭圆或圆。这种光称为椭圆偏振光或圆偏振光。 附图15（a） 附图15（b） 附图15（c） （二）获得偏振光的常用方法 将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏，起偏的装置称为起偏器。常用的起偏 装置主要有： 1、反射起偏器（或透射起偏器） 当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部分偏 振光。 当入射角达到某一特定值时，反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于入射面 （见附图16）而角就是布儒斯特角，也称为起偏振角，由布儒斯特定律得 例如，当光由空气射向n=1.54的玻璃板时，=57度45679若 入射光以起偏振角射到多层平行玻璃片上，经过多次反射最后 透射出来的光也就接近于线偏振光，其振动面平行于入射面。 由多层玻璃片组成的这种透射起偏振器又称为玻璃片堆。见附 图17。 附图16 2、晶体起偏器 利用某些晶体的双折射现象来获得线偏振光，如尼科尔棱镜等。 偏振片（分子型薄膜偏振片） 聚乙烯醇胶膜内部含有刷状结构的炼状分子。在胶膜被拉伸时，这些 炼状分子被拉直并平行排列在拉伸方向上，拉伸过的胶膜只允许振动 取向平行于分子排列方向（此方向称为偏振片的偏振轴）的光通过， 利用它可获得线偏振光，其示意图参看附图18。偏振片是一种常用的 “起偏”元件，用它可获得截面积较大的偏振光束（它就是本实验使用 的元件）。 附图17 (三)偏振光的检测 鉴别光的偏振光状态的过程称为检偏，它所用的装置称为检偏器。 实际上，起偏器和检偏器是通用的。用于起偏的偏振片称为起偏振器 ，把它用于检偏就成为检偏器了。 按照马吕斯定律，强度为I0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度 为 式中为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角。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 度时，透射光强度最大；当=90度时，透射光强度最小（消失状态） ；当0度90度时，透射光强度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，可以区别光的不同偏振状态。 (三)偏振光的检测 鉴别光的偏振光状态的过程称为检偏，它所用的装置称为检偏器。实际上， 起偏器和检偏器是通用的。用于起偏的偏振片称为起偏振器，把它用于检偏就 成为检偏器了。 按照马吕斯定律，强度为I0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为 式中为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角。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度时，透射光强度 最大；当=90度时，透射光强度最小（消失状态）；当0度90度时，透射光 强度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 光的不同偏振状态。 附图18 （四）偏振光通过波晶片时的情形 1.波晶片 波晶片是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，其表面平行于 晶体的光轴。 当一束单色平行自然光正入射到波晶片上时，光在晶体内部便 分解为o光与e光。o光电矢量垂直于光轴;e光电矢量平行于光 轴。而o光和e光的传播方向不变，仍都与表面垂直。但o光在 晶体内的速度为,e光的为即相应的折射率、不同。 设晶片的厚度为L，则两束光通过晶体后就有位相差,即 式中为光波在真空中的波长。的晶片，称为全波片 ，；称为半波片（/2波片）；为/4片，上面的k都 是任意整数。不论全波片，半波片或/4片都是对一 定波长而言。 以下直角坐标系的选择，是以e光振动方向为横轴， o光振动方向为纵轴。沿任意方向振动的光，正入射 到波晶片的表面，其振动便按此坐标系分解为e分量 和o分量。 2.光束通过波片后偏振态的改变 平行光垂直入射到波晶片后，分解为e分量和o分量 ，透过晶片，二者间产生一附加位相差。离开晶片 时合成光波的偏振性质，决定于及入射光的性质。 （1）偏振态不变的情形 （i）自然光通过波晶片，仍为自然光。因为自然光的两个正交分量之 间的位相差是无规的，通过波晶片，引入一恒定的位相差，其结果 还是无规的。 （ii）若入射光为线偏振光，其电矢量E平行e轴（或o轴），则任何 波长片对它都不起作用，出射光仍为原来的线偏振光。因为这时只有 一个分量，谈不上振动的合成与偏振态的改变。 除上述二情形外，偏振光通过波晶片，一般其偏振情况