课时教案-光学实验

1 光学实验教案光学实验教案 实验一实验一 分光计的调节分光计的调节 实验目的实验目的 了解分光计的结构 掌握调节和使用分光计的方法 仪器和用具仪器和用具 分光计 三棱镜 实验原理实验原理 分光计是一种能精确测量上述角度的典型光学仪器 经常用来测量材料的折射率 色散率 光波波长和进行光谱观测等 由于该装置比较精密 控制部件较多而且操作 复杂 所以使用时必须严格按照一定的规则和程序进行调整 方能获得较高精度的测 量结果 图 26 3 是 JJY 型分光计的结构图 它主要由自准直望远镜 平行光管 载物台 和读数装置组成 现分别介绍如下 图 26 3 JJY 型分光计结构图 1 狭缝装置 2 狭缝装置锁紧螺丝 3 平行光管 4 止动架 二 5 载物台 6 载 物台调节螺丝 共 3 只 7 载物台和游标盘间锁紧螺丝 8 望远镜 9 目镜筒锁紧螺 丝 10 阿贝式自准目镜 11 目镜调焦手轮 12 望远镜光轴倾斜调节螺丝 13 望远镜 光轴左右偏斜度调节螺丝 14 望远镜微动螺丝 15 望远镜和度盘间锁紧螺丝 16 望 2 远镜止动螺丝 另侧 17 止动架 一 18 底座 19 转座 20 刻度盘 21 游标盘 22 游标盘微动螺丝 23 游标盘止动螺丝 24 平行光管光轴左右偏斜度调节螺丝 25 平行光管光轴倾斜调节螺丝 26 狭缝宽度调节螺丝 1 自准直望远镜 望远镜的作用是接收平 行光以确定该光的传播 方向 结构如图 26 4 所 示 它由目镜 全反射棱镜 叉丝分划板和物镜等组成 目镜 全反射镜和叉丝分划 板以及物镜分别装 在可以前后移动的 个套筒中 分划 板上刻有双十字叉 丝和透光小 十 字 刻线 即十字窗 口 它和调节用 叉丝相对于测量 用叉丝对称 图 26 5 中画出了视场中看到的分划板像 照明灯泡发出的光经棱镜反射后 由十字窗 口射出 以便进行自准调节 2 平行光管 平行光管的作用是产生平行光 如图 26 3 中 3 所示 它的右端 装有消色差的复合物镜 另一端是套筒 套筒末端有一宽度可调的狭缝装置 前后移 动套筒可改变狭缝和物镜之间的距离 当狭缝位于物镜的焦平面时 从狭缝入射的光 束经物镜后成为平行光束 整个平行光管与分光计的底座连接在一起 是不能转动的 3 载物平台 载物台是用来放置平面镜 棱镜 光栅等光学元件的 它下面有 三个调节螺丝 用来调节载物台的倾斜 使载物台上的元件达到测量状态的要求 载 物台和游标盘一起可绕仪器轴旋转 载物台还可沿轴向升降 以适应不同高度的待测 1 调节用叉丝 2 测量用叉丝 3 亮 十 字 4 绿色背景 5 亮 十 字的反射像 图 26 5 分划板像示意图 3 元件 4 读数装置 读数装置有内外两层盘 外盘为刻度盘 简称度盘 它通过螺 丝 15 锁紧后 可和望远镜相连 并能随望远镜一起绕轴转动 度盘上有把圆周等分 为 720 份的刻线 格值为 30 内层为游标盘 游标上刻有 30 等份刻线 角宽为 14 5 格值为 28 因此精度为 1 圆游标的读数规则与游标卡尺的读数规则相同 如图 26 6 所示 读数为 116 13 为 了消除 分光计的度盘中心与仪器转轴不重合而产生的偏心差 在游标盘某一直径的两端对称 地设置了两个读数游标 为了测定望远镜转过的角度 应在望远镜的初始位置记下两游标读数和 左1 右1 再记下望远镜在末位置时两游标的读数和 则望远镜转过的角度为 左2 右2 26 4 右右左左2121 2 1 若转动时游标零线越过了度盘上 0 刻线 则应在或上加 360 左1 右1 为了满足测量要求和减小测量误差 必须将分光计的观察平面 光路面和读数平 面调到相互平行 而且共轴 实验步骤与内容实验步骤与内容 1 1 分光计的调整 分光计的调整 图 26 6 分光计的读数盘示意图 4 1 在进行调整前 应先熟悉所使用的分光计中各调节螺丝的位置 目镜调焦 看清分划板准线 手轮 望远镜调焦 看清物体 调节手轮 或螺丝 调节望远镜高低倾斜度的螺丝 控制望远镜 连同刻度盘 转动的制动螺丝 调整载物台水平状态的螺丝 控制载物台转动的制动螺丝 调整平行光管上狭缝宽度的螺丝 调整平行光管高低倾斜度的螺丝 平行光管调焦的狭缝套筒制动螺丝 2 目测粗调 将望远镜 载物台 平行光管用目测粗调成水平 并与中心轴垂 直 3 用自准法调整望远镜 使其聚焦于无穷远 具体调节如下 调节目镜调焦手轮 直到能够清楚地看到分划板 准线 为止 接上照明小灯电源 打开开关 可在目镜视场中看到如图 26 5 所示的分划板 像和带有绿色小十字的窗口 将三棱镜或双面镜按图 26 8 所示方位放置在载物台上 这样放置是出于这样 的考虑 注意放置方位 如图放置则主要由一个螺钉控制一个反射面的倾斜 沿望远镜外侧观察可看到平面镜内有一亮十字 轻缓地转动载物台 亮十字也 随之转动 但若用望远镜对着平面镜看 往往看不到此亮十字 这说明从望远镜射出 的光没有被平面镜反射到望远镜 中 我们仍将望远镜对准载物台 上的平面镜 调节镜面的俯仰 并转动载物台让反射光返回望远 镜中 使由透明十字发出的光经 过物镜后 再经平面镜反射 由物镜再次聚焦 于是在 分划板上形成模糊的像斑 然后先 图 26 8 三棱镜或平面镜的放置 5 调物镜与分划板间的距离 再调分划板与目镜的距离使从目镜中既能看清准线 又能 看清亮十字的反射像 注意使准线与亮十字的反射像之间无视差 如有视差 则需反 复调节 予以消除 如果没有视差 说明望远镜已聚焦于无穷远 4 调整望远镜光轴 使之与分光计的中心轴垂直 平行光管与望远镜的光轴各代表入射光和出射光的方向 为了测准角度 必须分 别使它们的光轴与刻度盘平行 刻度盘在制造时已垂直于分光计的中心轴 因此 当 望远镜与分光计的中心轴垂直时 就达到了与刻度盘平行的要求 具体调整方法为 平面镜仍竖直置于载物台上 使望远镜分别对准平面镜前后两镜面 利用自准 法可以分别观察到两个亮十字的反射像 如果望远镜的光轴与分光计的中心轴相垂直 而且平面镜反射面又与中心轴平 行 则转动载物台时 从望远镜中可以两次观察到由平面镜前后两个面反射回来的亮 十字像与分划板准线的上部十字线完全重合 如图 26 9 c 所示 若望远镜光轴与分光计中心轴不垂直 平面镜反射面也不与中心轴相平行 则 转动载物台时 从望远镜中观察到的两个亮十字反射像必然不会同时与分划板准线的 上部十字线重合 而是一个偏低 一个偏高 甚至只能看到一个 这时应先粗调 即先从望远镜外面目测 调节到从望远镜外侧能观察到两个亮 十字像 然后再细调 从望远镜视场中观察 当无论以平面镜的哪一个反射面对准望 远镜 均能观察到亮十字像 但如果从望远镜中看到准线与亮十字像不重合 它们的交点在高低方面相差一 段距离如图 26 9 a 所示 此时调整望远镜高低倾斜螺丝使差距减小为 h 2 如图 26 9 b 所示 再调节载物台下的水平调节螺丝 消除另一半距离 使准线的上部十 字线与亮十字线重合 如图 26 9 c 所示 再将载物台旋转 180o 使望远镜对着平面镜的另一面 采用同样的方法调节 如此反复调整 直至转动载物台时 从平面镜前后两表面反射回来的亮十字像 都能与分划板准线的上部十字线重合为止 这时望远镜光轴和分光计的中心轴相垂直 常称这种方法为逐次逼近各半调整法 6 5 调整平行光管 用前面已经调整好的望远镜调节平行光管 当平行光管射出平行光时 则狭缝成 像于望远镜物镜的焦平面上 在望远镜中就能清楚地看到狭缝像 并与准线无视差 具体如下 调整平行光管产生平行光 取下载物台上的平面镜 关掉望远镜中的照明小灯 用汞灯照亮狭缝 从望远镜中观察来自平行光 管的狭缝像 同时调节平行光管狭缝与透镜间 的距离 直至能在望远镜中看到清晰的狭缝像 为止 然后调节缝宽使望远镜视场中的缝宽约 为 mm1 调节平行光管的光轴与分光计中心轴相 垂直 望远镜中看到清晰的狭缝像后 转动狭缝至水平状态 调节平行光管倾斜螺丝 使狭缝水平像被分划板的中央十字线上 下平分 如图 26 10 a 所示 这时平行光管的光轴已与分 光计中心轴相垂直 再把狭缝转至铅直位置 并需保持狭缝像最清晰而且无视差 位 置如图 26 10 b 所示 至此分光计已全部调整好 使用时必须注意分光计上除刻度圆盘制动螺丝及其微 调螺丝外 其它螺丝不能任意转动 否则将破坏分光计的工作条件 需要重新调节 思考题思考题 本实验对分光计的调整有何特殊要求 如何调节才能满足测量要求 图 26 9 亮十字像与分划板准线的位置 图 26 10 狭缝像与分划位置 7 注意事项注意事项 1 望远镜 平行光管上的镜头 三棱镜 平面镜的镜面不能用手摸 揩 如发 现有尘埃时 应该用镜头纸轻轻揩擦 三棱镜 平面镜不准磕碰或跌落 以免损坏 2 分光计是较精密的光学仪器 要加倍爱护 不应在制动螺丝锁紧时强行转动 望远镜 也不要随意拧动狭缝 3 在测量数据前务须检查分光计的几个制动螺丝是否锁紧 若未锁紧 取得的 数据会不可靠 4 测量中应正确使用望远镜转动的微调螺丝 以便提高工作效率和测量准确度 5 在游标读数过程中 由于望远镜可能位于任何方位 故应注意望远镜转动过 程中是否过了刻度的零点 6 调整时应调整好一个方向 这时已调好部分的螺丝不能再随便拧动 否则会 造成前功尽弃 7 望远镜的调整是一个重点 首先转动目镜手轮看清分划板上的十字线 而后 伸缩目镜筒看清亮十字 8 实验实验 2 2 用牛顿环干涉测透镜曲率半径用牛顿环干涉测透镜曲率半径 实验目的实验目的 1 掌握用牛顿环测定透镜曲率半径的方法 2 通过实验加深对等厚干涉原理的理解 仪器和用具仪器和用具 牛顿环 钠光灯 读数显微镜 带 45 反光玻璃片 实验原理实验原理 将一个曲率半径很大的平凸透镜的凸面放置在平板玻璃上 在透镜凸面和平玻璃 板之间就形成很薄的空气层 其厚度从中心到边缘逐渐增加 离接触点等距离的地方 厚度相同 如图 1 所示 若以波长为的平行单色光垂直入射时 由空气薄膜上下两 表面反射的两束光在透镜凸表面附近相遇发生等厚干涉 其干涉图样是以接触点O为 中心的一系列明暗交替的同心圆环 中心处是一个暗斑 这些圆形干涉条纹是牛顿 当年在制作天文望远镜时 偶然将一个望远镜物镜放在平板玻璃上发现的 故称为牛 顿环 Dn Dm Dn Dm 图 17 1 牛顿环干涉 在干涉条纹上 光程差相等处 是以接触点O为中心 半径为r的明暗相间的同 心圆 设透镜的曲率半径为 形成的k级干涉暗纹的半径为 R k r 空气膜厚度为d 由图中的几何关系可得 9 222 dRrR k 由此得 17 1 dR r d k 2 2 因 R d R为几米 d为几分之一厘米 所以 17 2 R r d k 2 2 空气膜上下两表面反射回去的两束光的光程差为 17 3 22 2 2 R r d k 式中 为入射光的波长 2 项是光在下表面反射时产生的半波损失 或称为额外 光程差 在反射光中观察到亮环纹时有 17 4 2 2 2 2 k R rk 2 1 0 k 在反射光中观察到暗环纹时有 17 5 2 12 2 2 k R rk 2 1 0 k 由此得 17 6 k r R k 2 2 1 0 k 或 17 7 2 1 0 kkRrk 如果已知入射光的波长 并测得第级暗纹的半径 则可由式 17 6 算出 k k r 透镜的曲率半径 R 但实际上在观察牛顿环时发现 牛顿环的中心不是一个几何点 而是一个不甚清 晰的暗的或亮的圆斑 其原因是透镜和平玻璃板接触时 由于接触压力引起形变 使 接触处为一圆面 又镜面上可能有微小灰尘等存在 从而引起附加的光程差 所以牛 顿环的圆心难以定位 且绝对干涉级次无法确定 故实验中采用以下方法来测定曲率 10 半径 R 为了减少误差 必须测量距中心较远的 比较清晰的两个环纹的半径 例如测量 出第个和第个暗环的半径 均为环序数 不一定是干涉级数 因而式mnmn 17 6 或 17 7 可修正为 17 8 Rjmrm 2 或 17 9 Rjnrn 2 式中 为环序数 为干涉级数 为干涉修正值 于是有mn jm jn j 17 10 RnmRjnjmrr nm 22 上式表明 任意两环的半径平方差和干涉级以及环序数无关 而只与两个环的序 数之差有关 因此 只要精确测定两个环的半径 由两个半径的平方差就可 nm 准确的算出透镜的曲率半径 即R 17 11 22 nm rr R nm 又因暗环圆心不易确定 故取暗环的直径替换 得 17 12 RnmDD nm 4 22 因而 透镜的曲率半径为 17 13 4 22 nm DD R nm 实验用的牛顿环仪是由曲率半径约 为 200 700 厘米的待测平凸透镜L和磨 光 的平玻璃板P叠合装在金属框架F中构成 如图 17 2 所示 框架边上有三个螺 旋H 用来调节L和P之间的接触 以改变干涉条纹的形状和位置 调节H时 螺旋 不可旋得过紧 以免接触压力过大引起透镜弹性形变 甚至损坏透镜 实验内容与步骤实验内容与步骤 图 17 2 牛顿环仪装置图 11 1 调整测量装置 1 借助室内灯光 用眼睛直接观察牛顿环 调节框上的螺旋使干涉环呈圆形 并位于透镜的中心 但要注意不能拧紧螺旋 2 将仪器按图 17 3 所示装置好 直接使用单 色扩展光源钠光灯照明 由光源 S 发出的光照射到 45 玻璃片 G 上 使一部分光由 G 反射进入牛顿环仪 调节 玻璃片 G 使显微镜视场中亮度最大 3 调节读数显微镜 M 的目镜 使目镜中看到的叉 丝最为清晰 将读数显微镜对准牛顿环仪的中心 从下 向上移动镜筒 对干涉条纹进行调焦 使看到的环纹尽 可能清晰 并与显微镜的测量叉丝之间无视差 测量时 显微镜的叉丝最好调节成其 中一根叉丝与显微镜的移动方向相垂直 移动时始终保持这根叉丝与干涉环纹相切 这样便于观察测量 2 观察干涉条纹的分布特征 各级条纹的粗细是否一致 条纹间隔有无变化 观察牛顿环中心是亮斑还是暗斑 若是亮斑 如何解释 用擦镜纸仔细地将接触的两个表面擦干净 可使中心呈暗斑 3 测量牛顿环的直径 1 粗调仪器 移动牛顿环装置 使十字准线 叉丝 的交点与牛顿环中心重 合 2 放松目镜紧固螺丝 该螺丝应始终对准槽口 转动目镜使十字准线中的一 条线与标尺平行 即与镜筒移动方向平行 3 转动读数显微镜读数鼓轮 镜筒将沿着标尺平行移动 检查十字准线中竖 线与干涉环的切点是否与十字准线交点重合 若不重合 按步骤 再仔细 调节 检查左右两侧测量区域 4 转动读数鼓轮 观察十字准线从中央 缓慢向左 或向右 移至 m 1 环 注意 不宜太小 一般取大于 3 建议采集牛 nm m 图 17 3 牛顿环实验装置 图 图 17 4 在测微目镜中观测干涉环纹 12 顿环第 11 圈到第 20 30 圈范围内的各暗环的直径数据 靠近中心的几圈因形变较大 不宜采集 5 然后反方向自 m 1 环向右 或向左 移动 当十字准线竖线与第 m 环外侧 相切时 记录读数显微镜上的位置读数 图 17 4 中某一条竖直的虚线即是叉丝与 环纹相切的情形 然后继续转动鼓轮 使竖线依次与 m 1 m 2 m 3 m 2n 1 环外侧相切 并记录读数 继续转动鼓轮 并注意读出环的顺序 直到十字准 线回到牛顿环中心 6 继续按原方向转动读数鼓轮 越过干涉圆环中心 记录十字准线与右边 或 左边 第 m 2n 1 m 2n 2 m 2n 3 m 1 m 环外切时的读数 7 用逐差法处理所得数据 求出直径平方差的平均值 代入式 22 nm DD 17 13 计算透镜的曲率半径R 注意事项注意事项 1 牛顿环装置安放的位置与读数显微镜的第一次读数位置要调整好 避免在测 量了一部分数据后 由于环纹超出量程之外无法继续测量 因此在正式测量前 应先 作定性观察和调整 然后再作定量测量 2 为了防止空程差 每次测量时 鼓轮应沿着同一个方向旋转 不得中途反向 若旋转过头 必须退回几圈 再从原方向旋转推进 对准目标后重新测量 3 望远镜的调节 从低处往高处调节 4 牛顿环的调节 不可太用力 轻微转动螺丝 5 钠灯的使用注意事项 需要预热 在实验完成后才可关闭钠灯 6 读牛顿环直径的时候 如读取第 m 级暗环的直径时 应将叉丝移动到第 m 5 级 暗环后再移动回到第 m 级暗环 与暗环外部相切 读取数值 13 数据记录与处理数据记录与处理 实验数据表实验数据表 各暗环读数 单位 mm L5L6L7L8L9L10L11L12L13L14右侧各环 位置读数 L5L6L7L8L9L10L11L12L13L14左侧各环 位置读数 直径 Di 数据处理 数据处理 采用逐差法m n 5 22 105 DD 22 116 DD 22 127 DD 22 138 DD 22 149 DD 平均值 22 mn DD nm DD R nm 4 22 误差分析 误差分析 本实验仪器给出的牛顿环平凸透镜曲率半径为 868 5mm 绝对误差 相对误差 14 实验实验 3 用分光计测定棱镜的折射率用分光计测定棱镜的折射率 实验目的实验目的 1 继续熟悉分光计的结构 掌握调节和使用分光计的方法 2 加深对光的衍射以及光栅分光作用的基本原理的理解 3 学会用透射光栅测定光的波长 光栅常数以及角色散的方法 仪器和用具仪器和用具 分光计 三棱镜 平面透射光栅 汞灯 实验原理实验原理 载物台是用来放置平面镜 棱镜 光栅等光学元件的 它下面有三个调节螺丝 用来调节载物台的倾斜 使载物台上的元件达到测量状态的要求 载物台和游标盘一 起可绕仪器轴旋转 载物台还可沿轴向升降 以适应不同高度的待测元件 读数装置有内外两层盘 外盘为刻度盘 简称度盘 它通过螺丝 15 锁紧后 可 和望远镜相连 并能随望远镜一起绕轴转动 度盘上有把圆周等分为 720 份的刻线 格值为 30 内层为游标盘 游标上刻有 30 等份刻线 角宽为 14 5 格值为 28 因 此精度为 1 圆游标的读数规则与游标卡尺的读数规则相同 如图 26 6 所示 读数 为 116 13 为 了消除 分光计的度盘中心与仪器转轴不重合而产生的偏心差 在游标盘某一直径的两端对称 图 26 6 分光计的读数盘示意图 15 地设置了两个读数游标 为了测定望远镜转过的角度 应在望远镜的初始位置记下两游标读数和 左1 右1 再记下望远镜在末位置时两游标的读数和 则望远镜转过的角度为 左2 右2 26 4 右右左左2121 2 1 若转动时游标零线越过了度盘上 0 刻线 则应在或上加 360 左1 右1 为了满足测量要求和减小测量误差 必须将分光计的观察平面 光路面和读数平面调 到相互平行 而且共轴 实验步骤与内容实验步骤与内容 1 1 分光计的调整 分光计的调整 1 在进行调整前 应先熟悉所使用的分光计中各调节螺丝的位置 2 目测粗调 将望远镜 载物台 平行光管用目测粗调成水平 并与中心轴垂直 3 用自准法调整望远镜 使其聚焦于无穷远 4 调整望远镜光轴 使之与分光计的中心轴垂直 5 调整平行光管 2 2 光栅位置的调节及光谱观察光栅位置的调节及光谱观察 1 将光栅按图 26 11 所示置于载物台上 旋转 载物台 并调节平台倾斜螺丝 使望远镜筒中从光栅面 反射回来的绿色亮十字像与分划板上方的十字叉丝重合 且无视差 再将载物台连同光栅转过 180o 重复以上步 骤 如此反复数次 使绿色亮十字像始终和分划板上方 十字叉丝重合 2 点燃汞灯 将平行光管的竖直狭缝均匀照亮 调节平行光管的狭缝宽度 使望远镜中分划板上的中央竖直准线对准狭缝象 转动望 远镜筒 在光栅法线两侧观察各级衍射光谱 调节平台的 图 26 11 光栅的位置 16 三个支撑螺螺钉 和 使各级光谱线等高 这时 光栅的刻纹即平行于仪器 1 B 2 B 3 B 的主轴 固定载物平台 在整个测量过程中载物平台及其上面的光栅位置不可再变动 3 左右转动望远镜仔细观察谱线的分布规律 在谱线中 中央为白亮线 的狭缝像 其两旁各有两级紫 蓝 绿 黄的谱线 0 k 3 3 测定衍射角测定衍射角 1 旋紧游标盘制动螺丝 固定游标盘位置 放松望远镜制动螺丝 转动望远镜 连同刻度盘 从光栅的法线 零级光谱亮条纹 起沿一方向转动望远镜筒 使望 远镜中叉丝依次与第一级衍射光谱中的各级谱线重合 记下此时与每一谱线对应的两 对称游标上指示的读数和 再反向转动望远镜 越过法线 至另一各级谱线 左1 右1 进行同样的测量得和 对应同一级谱线的两次角坐标之差 即为该谱线衍射 左2 右2 角的 2 倍 可得 26 5 右右左左2121 4 1 2 重复上述步骤三次 由 26 5 式 求出平均值 列表记录所有的数据 表格自拟 4 4 数据处理数据处理 实验原理 自准法测量三棱镜的顶角实验原理 自准法测量三棱镜的顶角 17 实验内容数据及处理实验内容数据及处理 测顶角测顶角 A 调节 调节 0 刻度线在望远镜正下方时 有数据刻度线在望远镜正下方时 有数据 位置位置左游标读数左游标读数右游标读数右游标读数差值差值 I 1 L 1 R L II 2 L R2 R 2 RL A 测最小偏向角测最小偏向角 调节 调节 0 刻度线在望远镜正下方时 有数据刻度线在望远镜正下方时 有数据 min 位置位置左游标读数左游标读数右游标读数右游标读数差值差值 I Cm 1 L R1 L II Dm L2 2 R R 2 minRL 18 2sin 2 sin min n 注意事项注意事项 1 望远镜 平行光管上的镜头 三棱镜 平面镜的镜面不能用手摸 揩 如发现 有尘埃时 应该用镜头纸轻轻揩擦 2 分光计是较精密的光学仪器 要加倍爱护 不应在制动螺丝锁紧时强行转动望 远镜 也不要随意拧动狭缝 3 在测量数据前务须检查分光计的几个制动螺丝是否锁紧 若未锁紧 取得的数 据会不可靠 4 测量中应正确使用望远镜转动的微调螺丝 以便提高工作效率和测量准确度 5 在游标读数过程中 由于望远镜可能位于任何方位 故应注意望远镜转动过程 中是否过了刻度的零点 6 调整时应调整好一个方向 这时已调好部分的螺丝不能再随便拧动 否则会造 成前功尽弃 7 望远镜的调整是一个重点 首先转动目镜手轮看清分划板上的十字线 而后 伸缩目镜筒看清亮十字 实验实验 4 偏振现象的观察与分析偏振现象的观察与分析 实验目的实验目的 1 掌握产生和观察 检验偏振光的方法 2 对线偏振光 圆偏振光和椭圆偏振光进行分析和检验 了解产生与检验偏振 光的元件和仪器 仪器和用具仪器和用具 玻璃片和架 钠光灯或激光器 光具座或光学平台 偏振片 半波片 1 4 波片 减光板或光阑 手电 实验原理实验原理 19 1 1 光的偏振态 光的偏振态 振动方向和波的传播方向相同 这种波称为纵波 若波的振动方向和传播方向相 互垂直 这种波称为横波 纵波的振动对传播方向具有对称性 即通过波的传播方向 所作的所有平面内的运动情况都相同 其中没有一个平 面显示出比其他任何平面特殊 而对横波来说 通过波 的传播方向且包含振动矢量的那个平面显然和其他不包 含振动矢量的任何平面有区别 这通常称为波的振动方 向对传播方向没有对称性 振动方向对于传播方向的不 对称性叫做偏振 它是横波区别于纵波的一个最明显 的标志 只有横波才有偏振现象 光波是电磁波 因 而是横波 光的电矢量的振动方向 相对于光的传播方向是不对称的 即光有偏振现 象 光的偏振现象是马吕斯 1775 1812 在 1808 年发现的 2 2 产生平面偏振光的方法 产生平面偏振光的方法 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 产生平面偏振光的方法有 反射产生偏振 选择性吸收 产生偏振 双折射产生偏振和多次折射产生偏振 非金属表面的反射和折射 如图 30 1 所示 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 所谓部分偏振光 是指电矢量在某一确定的方向上光振动的振幅大于与该方向垂 直的另一方向上的振幅 在此基础上 逐渐增大入射角 当入射 角达到某一特定角时 反射光将成为完全偏振光 其偏振面垂直于入射面 这时将 角称为起偏角 由布儒斯特定律 BrewsterBrewster 得 tan 30 1 1 2 n n 根据式 30 1 可以简单地利用玻璃起偏 也可以用于测定物质的折射率 从空气 入射到介质 一般起偏角在到之间 53 58 图 30 1 图 35 2 20 2 利用某些有机化合物晶体的二向色性制成的偏振片 可以吸收某一振动方 向的光 而与此方向垂直振动的光则能透过 如图 30 2 偏振片可以制造成很大的 面积 从而获得较宽广的偏振光束 但由于 吸收不完全 所得的偏振光只能达到一定的 偏振度 偏振片也可作检偏器使用 鉴别光 的偏振状态叫检偏 用作检偏的仪器或元件 叫检偏器 自然光 部分偏振光和线偏振光 通过偏振片时 在垂直光线传播方向的平面 内旋转偏振片时 可观察到不同的现象 旋转 光强不变 为自然光 旋转 PPP 无全暗位置 但光强变化 为部分偏振光 旋转 可找到全暗位置 为线偏振光 P 3 由晶体的双折射产生偏振光 如图 30 3 所示 一束单色自然光垂直入射于 某些各向异性晶体的表面 进入晶体后 变为两束光两束平面偏振的光 寻常光 光 和非常光 光 并以不同的速度在晶体内传播 寻常光 光 的振动垂直于oeo 光的传播方向和光轴方向所定的平面 主平面 不遵从折射定律的非常光 光 的振e 动则在主平面内 可用某种方法使两束光分开 除去其中之一束 剩下的一束就是平 面图偏振光 4 多次折射产生偏振 如图 30 4 所 示 当自然光以布儒斯特角入射到一叠玻璃 片堆时 各层反射光全部是振动面垂直于入 射面的完全偏振光 同时折射光中的垂直于 入射面的振动成分也被各层玻璃面不断反射 而使折射光的偏振化程度逐渐增加 玻璃片 越多则折射光越接近完全偏振光 当玻璃片 足够多时 则可近似地把透过玻璃片堆的光看成振动面平行于入射面的完全偏振光 单色自然光e光 O光 晶体的截面 图 30 3 晶体的双折射现象 图 30 4 用玻璃片堆产生平面偏振光 21 2 2 椭圆偏振光 圆偏振光和 椭圆偏振光 圆偏振光和 波片波片 波片是从单轴晶体中切割下来 的平面平行板 其表面平行于光轴 波片有正晶体或负晶体之分 能使 相互垂直振动的平面偏振光产生 一定相位差 根据产生的不同相 位差 又可以分为全波片 半波片和 1 4 波片 如图 30 5 所示 当平面偏振光垂直射入一块表面平行于光轴的双折射晶片时 将分为 光和光两部分 其振幅分别为和 它们的传播方向一致 但eo sinA cosA 振动方向平行于光轴的 光与振动方向垂直于光轴的光在晶体中速度不同 因而产eo 生了位相差 30 2 lnn eo 2 式中 为晶片厚度 和分别为晶体中光和 光的折射率 在负晶体中 光位l o n e noeo 相推迟 在正晶体中 光位相推迟 e 1 全波片 如果晶片的厚度 使产生的相位差l 即位相差 2 1 0 kk 时 出射光为平面偏振光 k2