下载文档原格式
偏振光与双折射实验教案偏振与双折射实验教案赵东⼀、实验⽬的1、观察光在各向异性晶体中传播时产⽣的双折射现象，了解其规律；2、观察光的偏振现象，加深对各种偏振光的概念和规律的理解；3、掌握⼀些偏振光的产⽣和检验⽅法，以及了解相关仪器件的原理和使⽤⽅法。
⼆、实验原理1、光的横波性与偏振光的横波性是指光波的电⽮量与光的传播⽅向垂直。
在传播⽅向上垂直的⼆维空间中，电⽮量可能有各种各样的振动状态，我们称之为偏振。
简⽽⾔之，振动⽅向与传播⽅向垂直的波，叫横波。
光的偏振态可分为5种：⾃然光，线偏振光，部分偏振光，圆偏振光，椭圆偏振光。
后⾯将⼀⼀介绍。
2、⼆⾊性与偏振⽚(polarizer) 2.1⼆⾊性有的晶体对不同⽅向的电磁振动具有选择吸收的性质，当光照射到这种晶体的表⾯上时，振动的电⽮量与光轴（光轴的概念在后⾯介绍）平⾏时，被吸收得⽐较少，光可以较多地通过；电⽮量与光轴垂直时，被吸收得较多。
⽐如电⽓⽯晶体。
这种性质叫⼆⾊性。
2.2偏振⽚的制造这⾥先插⼊对偏振⽚的介绍。
能产⽣线偏振光（线偏振光的概念见后⾯）的晶⽚叫偏振⽚。
电⽓⽯对电⽮量垂直和平⾏与光轴⽅向的光的吸收程度的差别还不够⼤，我们要做的理想偏振⽚的要求是，最好能使⼀个⽅向的振动全部吸收掉。
在这⼀点上，碘硫酸奎宁晶体的性能要⽐电⽓⽯好得多，但是它的晶体很⼩。
通常的偏振⽚是在拉伸了的塞璐璐基⽚上蒸镀⼀层硫酸奎宁晶粒，基⽚的应⼒可以使晶粒的光轴定向排列起来，这样可得到⾯积很⼤的偏振⽚。
⼩知识：1852年海拉巴斯(Herapath)发现碘硫酸奎宁晶体有⼆向⾊性，这⼀发现被布儒斯特写⼊书中，当时在哈佛就读的学⽣兰德(Land)读了布儒斯特的书后，对此很感兴趣。
⼏年后，兰德发明⼀种⽅法，把细⼩的针状的碘硫酸奎宁晶体排列在塞璐璐基⽚上，制成了⾯积很⼤的线偏振器。
这是⼀种价廉物美的偏振⽚，⾄今还⼴泛运⽤科研和教学中。
2.3偏振⽚的透振⽅向偏振⽚上能透过的振动⽅向称为它的透振⽅向。
光的偏振与双折射现象光是一种电磁波，可以在真空中以及各种介质中传播。
而在传播过程中，光的偏振与双折射现象是光波特性中非常重要的内容。
本文将介绍光的偏振与双折射现象的基本概念和原理。
一、光的偏振偏振是指光波中的电场矢量在传播方向上的振动方式。
光波可分为非偏振光、偏振光和部分偏振光。
1. 非偏振光：光波中的电场矢量在各个方向上均匀分布，没有特定的振动方向。
2. 偏振光：光波中的电场矢量在某一特定方向上振动，而在其他方向上几乎无振动。
常见的偏振光有线偏振光和圆偏振光。
3. 部分偏振光：光波中的电场矢量在多个方向上振动，但是其中有一个主要的振动方向。
光的偏振可以通过偏振片进行实验观察和分析。
偏振片是由特殊材料制成的，在某一方向上只允许特定方向的电场矢量通过。
当非偏振光通过偏振片时，只有与偏振片振动方向一致的电场矢量能通过，其他方向上的电场矢量则被滤除，从而得到偏振光。
二、双折射现象双折射指的是某些特定材料在光线入射时会发生两个不同速度的折射现象。
这是由于光在这些材料中的传播速度与光的偏振方向有关。
具有双折射现象的材料被称为双折射材料，其中最常见的是石英晶体。
当光线垂直于晶体的光轴方向传播时，不会发生双折射现象；但当光线不垂直于光轴时，就会发生双折射现象。
双折射材料可以通过偏振光的传播方向和光轴方向之间的夹角来进行分类。
根据夹角的不同，可以分为正常双折射和畸变双折射。
1. 正常双折射：在该类材料中，晶体的光轴方向与偏振光的振动方向垂直。
在光线通过材料时，会出现两个折射光束，一个按照正常的折射定律折射（常光），另一个则不按照常规定律折射（特光）。
2. 畸变双折射：在该类材料中，晶体的光轴方向与偏振光的振动方向不垂直。
在光线通过材料时，除了产生两个折射光束外，还会出现不同程度的畸变现象，导致光的传播路径变得复杂。
三、应用领域1. 光学器件：光的偏振与双折射现象在光学器件的设计中起着重要作用。
例如，偏振片可以用于光的调节、滤波和分析等方面。
第五章 光的偏振和晶体的双折射§ 5.1光的偏振态偏振：振动方向相对于传播方向的不对称性。
一．光是横波1、 光是电磁波——横波2、 用二向色性晶体（电气石晶体、硫酸碘奎宁晶体）检验——横波。
最初的器件是用细导线做成的密排线栅（金质线栅，d=5.08×10-4mm ），光通过时，由于与导线同方向的电场被吸收，留下与其垂直的振动。
1928年，Harvaed 大学的Land （19岁）发明了人造偏振片，用聚乙烯醇膜浸碘制得。
到1938年，出现了H 型偏振片，原理相同。
3、名词起偏：使光变为具有偏振特性。
检偏：检验光的偏振特性。
透振方向：通过偏振仪器光的电矢量的振动方向。
二．光的偏振态偏振：振动方向相对于传播方向的不对称性。
对可见光，只考虑其电矢量。
1．自然光振动方向随机，相对于波矢对称。
光的叠加是按强度相加。
可沿任意方向正交分解，在任一方向的强度为总强度之半。
021I I自然光是大量原子同时发出的光波的集合。
其中的每一列是由一个原子发出的，有一个偏振方向和相位，但光波之间是没有任何关系的。
所以，他们的集合，就是在各个方向振动相等、相位差随机的自然光。
在直角坐标系中，一列沿z 向传播、振动方向与X 轴夹角为θ的光，在X 方向的振幅为θθcos A A x =，由于各个光波在X 方向的总强度是光强相加，故有22022220cos )(A d A d A I x x πθθθππθ===⎰⎰同理2A I y π= 而总光强22022A d A I πθπ==⎰，故021I I I y x == 2．平面偏振光（线偏振光）只包含单一振动方向的电矢量。
在任一方向的光强θθ20cos I I =，马吕斯定律。
用偏振片可以获得平面偏振光。
偏振仪器（起偏器）的消光比=最小透射光强/最大透射光强 3．部分偏振光 介于自然光和线偏光之间。
偏振度=（I MAX -I MIN ）/（I MAX +I MIN ） 4．圆偏振光电矢量端点轨迹的投影为圆。
光的偏振实验方法总结光的偏振是指光波在传播过程中的振动方向。
而光的偏振实验方法是一种用来研究光的偏振性质的实验手段。
本文将对常见的光的偏振实验方法进行总结和介绍。
I. 光的偏振现象简介在探讨光的偏振实验方法之前，我们首先需要了解光的偏振现象。
光的偏振可以分为线偏振、圆偏振和非偏振光。
线偏振光是指光波振动方向只存在于一个平面内，而圆偏振光则是指振动方向按照圆周轨迹运动。
非偏振光则是指振动方向在各个方向上都有。
II. 光的偏振实验方法1. 波片法波片法是一种常见且重要的光的偏振实验方法。
其原理基于光的偏振现象，通过使用不同的波片，可以改变光波的偏振状态。
常见的波片有半波片和四分之一波片。
在实验中，我们可以通过旋转波片来改变光波的振动方向，从而实现光的偏振状态的调节和观察。
2. 偏振片法偏振片法是另一种常用的光的偏振实验方法。
它利用了具有特定光学性质的偏振片，可以选择性地透过或吸收特定方向上的光振动。
实验中，可以通过叠加两个偏振片，并调节它们之间的夹角，来观察光的偏振状态的变化。
3. 布儒斯特角测量法布儒斯特角测量法是一种利用光的偏振现象进行测量的方法。
根据布儒斯特定律，当入射光的折射角等于特定角度时，反射光变为全反射。
通过测量布儒斯特角，可以得到光的折射率以及光的偏振性质。
4. 双折射法双折射法是一种利用物质的双折射性质研究光的偏振现象的实验方法。
当光波通过具有双折射性质的物质时，会分离成两个不同方向振动的光波。
通过观察双折射晶体中不同方向光振动的现象，可以推测光的偏振状态。
5. 泽尼克斯板法泽尼克斯板是一种特殊的偏振装置，通过它可以产生特定的偏振状态。
在泽尼克斯板实验中，通过选择不同的泽尼克斯板以及旋转它们的方向，可以观察到光的偏振状态的变化。
III. 光的偏振实验的应用光的偏振实验方法在科学研究和实际应用中具有广泛的应用价值。
以下为一些常见应用领域：1. 光学仪器：光的偏振实验方法可以帮助设计和制造光学仪器，如偏振镜、偏振滤波器等。
光的偏振与双折射解密光的振动特性光是一种电磁波，作为一种波动现象，具有振动特性。
光的振动方向是指光波电场变化的方向。
光的振动可以是沿着任意方向，但是在许多情况下，光波的振动方向会受到影响，其中一种重要的现象是光的偏振和双折射。
一、光的偏振现象1. 偏振光的定义光线在传播过程中，其振动方向只在一个特定的平面上振动，这种光称为偏振光。
在偏振光中，只有振动方向与某一平面垂直的光能够通过偏振器。
2. 偏振光的产生偏振光的产生可以通过自然光经过偏振器滤波得到，也可以通过其他的物理现象产生，例如布儒斯特角反射。
3. 偏振器和偏振光的性质偏振器是一个能够选择性通过某个特定方向的光的器件。
当自然光通过偏振器时，垂直于偏振器所允许的唯一振动方向的光被选择性地通过，而其他方向的光则被阻挡。
二、双折射现象1. 双折射的定义双折射是指当光线传播到某些特殊的晶体材料中时，光线会分为两束，沿不同的路径传播。
这种现象也称为光的波面分裂。
2. 双折射的产生双折射是由于晶体结构的对称性导致的。
在一些晶体中，光沿着晶体的不同轴向传播时，会遵循不同的折射定律，从而产生双折射现象。
3. 双折射的性质双折射会导致入射光在晶体内发生方向的改变，使得光线变得有两个不同的传播方向。
这种现象不仅存在于晶体材料中，也可以在一些特殊的非晶体材料中观察到。
三、光的振动特性解密1. 光的振动方向与电场在光学中，振动方向的概念与电场方向紧密相关。
光波电场的振动方向决定了光的偏振方向，而光线的传播方向与电磁场的传播方向保持一致。
2. 光的振动特性与介质相关光的振动特性可以通过介质的性质来解释和调控。
不同的介质对光的传播和振动方向会产生不同的影响，从而实现对光的偏振特性的调节。
3. 光的偏振与实际应用光的偏振性质在许多领域中有着广泛的应用，例如光学器件、通信技术、显示技术等。
通过对光的偏振进行精确控制和调节，可以实现更多的光学效应和功能。
综上所述，光的偏振和双折射现象揭示了光的振动特性。
光的偏振与双折射在我们日常生活和科学研究的广阔领域中，光的偏振与双折射现象是两个极为重要且有趣的光学概念。
当我们谈到光，通常会想到那明亮而无所不在的光线，照亮我们的世界。
然而，光的性质远比我们直观感受到的要复杂和丰富。
其中，偏振和双折射就是光的一些不那么显而易见但却充满魅力的特性。
让我们先来了解一下光的偏振。
想象一下，光是由无数个微小的电磁波组成的，这些电磁波在空间中振动传播。
在一般的自然光中，光的振动方向是随机的，各个方向都有。
但是，当光通过某些特殊的装置或介质后，它的振动方向会被限制在一个特定的方向上，这时候光就变成了偏振光。
就好像一群毫无秩序乱跑的孩子，经过引导后，都朝着一个方向前进。
偏振光在很多领域都有重要的应用。
比如，在 3D 电影中，就是利用了偏振光的原理。
我们戴上的 3D 眼镜，其实就是两个不同偏振方向的镜片。
通过让左右眼分别看到不同偏振方向的光，从而在我们的大脑中产生立体感。
再来说说双折射现象。
当一束光入射到某些晶体中时，会分裂成两束折射光，这就是双折射。
这两束光的传播速度和偏振方向都有所不同。
就好像一条道路突然分成了两条不同的路径。
双折射现象在很多方面都具有重要意义。
在光学仪器中，比如偏光显微镜，就是利用双折射来观察和分析样品的结构。
通过观察样品在偏振光下的表现，可以获取关于其晶体结构、应力分布等重要信息。
为了更深入地理解光的偏振和双折射，我们需要了解一些相关的物理原理。
光是一种电磁波，其电场和磁场的振动方向相互垂直，并且都垂直于光的传播方向。
对于偏振光来说，其电场的振动方向被限制在一个特定的平面内。
而双折射现象的产生，是由于晶体内部的结构具有各向异性。
也就是说，晶体在不同方向上的物理性质是不同的。
这导致了光在晶体中传播时，其传播速度和偏振状态会发生改变。
在实际的实验和观察中，我们可以通过一些简单的方法来验证光的偏振和双折射现象。
例如，使用偏振片来检测光是否偏振。
当偏振片的偏振方向与光的偏振方向一致时，光可以通过；当两者垂直时，光被阻挡。
第五章 光的偏振和晶体的双折射§ 5.1光的偏振态偏振：振动方向相对于传播方向的不对称性。
一．光是横波1、 光是电磁波——横波2、 用二向色性晶体（电气石晶体、硫酸碘奎宁晶体）检验——横波。
最初的器件是用细导线做成的密排线栅（金质线栅，d=5.08×10-4mm ），光通过时，由于与导线同方向的电场被吸收，留下与其垂直的振动。
1928年，Harvaed 大学的Land （19岁）发明了人造偏振片，用聚乙烯醇膜浸碘制得。
到1938年，出现了H 型偏振片，原理相同。
3、名词起偏：使光变为具有偏振特性。
检偏：检验光的偏振特性。
透振方向：通过偏振仪器光的电矢量的振动方向。
二．光的偏振态偏振：振动方向相对于传播方向的不对称性。
对可见光，只考虑其电矢量。
1．自然光振动方向随机，相对于波矢对称。
光的叠加是按强度相加。
可沿任意方向正交分解，在任一方向的强度为总强度之半。
021I I自然光是大量原子同时发出的光波的集合。
其中的每一列是由一个原子发出的，有一个偏振方向和相位，但光波之间是没有任何关系的。
所以，他们的集合，就是在各个方向振动相等、相位差随机的自然光。
在直角坐标系中，一列沿z 向传播、振动方向与X 轴夹角为θ的光，在X 方向的振幅为θθcos A A x =，由于各个光波在X 方向的总强度是光强相加，故有22022220cos )(A d A d A I x x πθθθππθ===⎰⎰同理2A I y π= 而总光强22022A d A I πθπ==⎰，故021I I I y x == 2．平面偏振光（线偏振光）只包含单一振动方向的电矢量。
在任一方向的光强θθ20cos I I =，马吕斯定律。
用偏振片可以获得平面偏振光。
偏振仪器（起偏器）的消光比=最小透射光强/最大透射光强 3．部分偏振光 介于自然光和线偏光之间。
偏振度=（I MAX -I MIN ）/（I MAX +I MIN ） 4．圆偏振光电矢量端点轨迹的投影为圆。
其电矢量不是沿某一方向作周期性振动，而是做匀速旋转。
但其电矢量的投影则是简谐振动。
每一时刻的电矢量可以分解为振幅相等、相位差为π/2、相互垂直的振动。
⎩⎨⎧∆--=-=)cos()()cos()(ϕωωkz t A t E kz t A t E y x ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+=-=，左旋，右旋22πϕπϕ，迎着光的传播方向观察。
y kz t A x kz t A y E x E z t E y x ρρρρρ)2cos()cos(),(πωω±-+-=+=用偏振片检验，圆偏光与自然光相同。
5．椭圆偏振光电矢量端点轨迹的投影为椭圆。
每一时刻的电矢量可分解为⎩⎨⎧∆--=-=)cos()cos(ϕωωkz t A E kz t A E y y x x ⇒ϕϕ∆=∆-+22222sin cos 2y x y x yy x xA A E E A E A E y kz t A x kz t A y E x E z t E y x y x ρρρρρ)cos()cos(),(ϕωω∆--+-=+=椭圆长轴或短轴与坐标轴的夹角ϕα∆-=cos 2222yx y x A A A A tg可以容易得到电矢量的旋转方向，即⎩⎨⎧∈∆∈∆右旋左旋,,,,IV III II I ϕϕ椭圆的取向与两分量间相位差的关系⎩⎨⎧∆--=-=)cos()cos(ϕωωkz t A E kz t A E y yx x ，由于总是在同一点z 处观察光的偏振分量，所以可以使z=0。
于是有⎩⎨⎧∆-==)cos()cos(ϕωωt A E t A E y y x x ⇒⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧∆+∆==ϕωϕωωsin sin cos cos cos t t A Et A E yy xx ，⇒⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=∆-∆=t t A E t A E y y x x ωϕωϕωsin )cos cos (sin 1cos ，⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=∆-∆=t A E A E t A E xx y y x x ωϕϕωsin )cos (sin 1cos ，⇒1sin cos )cos (sin 12222=+=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∆-∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛t t A E A E A E x x y y x xωωϕϕ，⇒ϕϕϕϕ∆=∆+∆-+∆222222sin cos )(cos 2)()(sin xx x x y y y y x x A E A E A E A E A E ⇒ϕϕ∆=∆-+22222sin cos 2y x y x yy x x A A E E A E A E 上述公式中的电场分量y x E E ,就是直角坐标系中的坐标值y x ,。
将坐标系旋转α角，得到新的坐标系x ’Oy ’，有⎩⎨⎧'+'='-'=ααααcos sin sin cos y x y y x x ，代入上面的方程式，有左旋右旋ϕϕαααααααααααααα∆=∆'--''+'-'+''+'+'+''-'222222222222222sin cos sin cos )sin (cos sin cos 2cos sin cos 2sin sin sin cos 2cos yx y x A A y y x x A y y x x A y y x x 要使在新坐标系中得到正椭圆，即长轴、短轴沿坐标轴方向，只需要使得上式中y x ''的系数为零即可。
故有0cos )sin (cos 2sin cos 2sin cos 22222=∆--+-ϕααααααy x yx A A A A ⇒ 0cos )sin (cos sin cos sin cos 2222=∆--+-ϕααααααy x x y A A A A由于ααα2sin sin cos 2=，ααα2cos sin cos 22=-，所以有ϕααα∆=-cos 2cos )2sin 2sin (2122y x y x A A A A 22cos 22cos 2sin y x y x A A A A -∆=ϕαα，即22cos 22yx y x A A A A tg -∆=ϕα，由于椭圆的对称性，α的值在)4,4(ππ-间即可。
新坐标系中，椭圆方程为ϕϕαααααα∆=∆'-'-'+'+'+'2222222222222sin cos 2sin 2sin cos sin sin cos yx y x A A y x A y x A y x1sin sin cos cos sin 2cos sin sin cos cos sin 2cos 2222222222222222=∆+∆+'+∆+∆-'ϕαϕαααϕαϕαααy x yy x xy x x y x y A A A A A A y A A A A A A x椭圆的半轴分别为αϕαααϕ22222222sin cos cos sin 2cos sin xy x yy x xA A A A A A A +∆-∆='αϕαααϕ22222222sin cos cos sin 2cos sin yy x xy x y A A A A A A A +∆+∆='由于αϕ2)(cos 222tg A A A A y x y x -=∆，上述两半轴可以化为ααααϕ22222222222sin 2cos 2sin )(21cos sin x y x y y x xA A A A A A A +--∆=']2cos 2sin 2cos 1[21]2cos 2sin 2cos 1[21sin 2222222ααααααϕ--+++∆=x y y x A A A A)12(cos )12(cos sin 2cos 2)2cos 11()2cos 11(sin 22222222222-++∆=-++∆=ααϕαααϕx y y x x y y x A A A A A A A A ααϕα2222222sin cos sin 2cos xyy x A A A A -∆=x’ααααϕ22222222222sin 2cos 2sin )(21cos sin y y x x y x y A A A A A A A +-+∆=')2cos 11(21)2cos 11(21sin 22222ααϕ-++∆=y x y x A A A A ααϕα2222222sin cos sin 2cos yxy x A A A A -∆=)()sin cos )(sin cos (sin 2cos )sin cos )(sin cos ()]sin cos (sin cos [sin 2cos sin cos sin 2cos sin cos sin 2cos 222222222222222222222222222222222222222222222222y x y x x y y x yxxyx y y x y x y x y x xyy x y x A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A ---∆=-----∆=-∆--∆='-'ααααϕαααααααααϕαααϕαααϕα如果y x A A >，当ϕ∆处于Ⅰ，Ⅳ象限，22cos 22yx y x A A A A tg -∆=ϕα0>，则)4,0(πα∈，旋转后的图像如下图。
而当ϕ∆处于Ⅱ，Ⅲ象限时，22cos 22yx y x A A A A tg -∆=ϕα0<，则)4,0(πα-∈，旋转后的图像如下图。
如果y x A A <，当ϕ∆处于Ⅰ，Ⅳ象限，22cos 22yx y x A A A A tg -∆=ϕα0<，则)4,0(πα-∈，旋转后的图像如下图。
而当ϕ∆处于Ⅱ，Ⅲ象限时，22cos 22yx y x A A A A tg -∆=ϕα0>，则)4,0(πα∈，旋转后的图像如下图。
所以，由椭圆的位形，即椭圆长轴的取向，可以判断ϕ∆的取值范围。
长轴在Ⅰ，Ⅲ象限时，ϕ∆处于Ⅰ，Ⅳ象限；长轴在Ⅱ，Ⅳ象限时，ϕ∆处于Ⅱ，Ⅲ象限。
结合电矢量的旋向，可以得到如下结果三．获得平面偏振光的方法由自然光得到平面偏振光。
1．利用偏振片2．由反射和折射产生yy ’ αx’由菲涅耳公式 反射光)sin()sin(cos cos cos cos 21212211221111i i i i i n i n i n i n E E s s +--=+-=' )()(cos cos cos cos 21212112211211i i tg i i tg i n i n i n i n E E P P+-=+-=' 折射光)sin(cos sin 2cos cos cos 2211222111112i i i i i n i n i n E E s s +=+=， )cos()sin(cos sin 2cos cos cos 221211221121112i i i i i i i n i n i n E E P P -+=+= 当垂直入射时，01=i 时，02=i ，反射光和折射光的偏振特性不变，仍是自然光。
