实验讲义-偏振与双折射实验-2013.9

偏振与双折射实验报告实验目的：本次实验旨在通过实验操作验证偏振与双折射现象，并深入了解其基本原理和应用。

实验器材：偏光片、双折射晶体、平行光源、显微镜、偏振镜、光源滤片、介质物。

实验原理：偏振现象指的是碎片形状不同的光通过偏振片时，透射出的光线及光强会有所改变的现象。

偏振片是由其中的一些小分子串列而成的，这些小分子只容许某一方向的振动传播。

当光透过偏振片时，只有与筛网平行的振动分量可以通过，与筛网垂直的振动分量则被截止了。

双折射现象是指在某一些晶体中，不同方向的光线具有不同的折射率，从而产生双折射现象。

在正常的单折射晶体中，光的传播方向与折射率无关。

在双折射晶体中，光的传播方向与折射率是有关系的。

通过双折射显微镜可以观察到双折射现象。

实验步骤：第一步：使用光源、平行光源和光源滤片，发出平行光线。

第二步：在光路中加入偏振片和偏振镜，观察透射光线的改变。

第三步：选一块双折射晶体，放在偏振片和偏振镜之间的光路上，观察透射光线的变化。

第四步：在双折射晶体中加入特定介质物，再次观察透射光线的变化。

实验结果：在第一步中，我们通过光源、平行光源和光源滤片，发出平行光线。

在第二步中，我们将偏振片和偏振镜加入光路，发现透射光线的光强会发生变化。

在第三步中，我们选一块双折射晶体，放在偏振片和偏振镜之间的光路上，观察到透射光线会发生双折射现象。

在第四步中，我们在双折射晶体中加入特定介质物，观察到透射光线的双折射现象随介质物种类不同而改变。

结论：本次实验中，我们验证了偏振和双折射现象的存在，并深入了解其基本原理和应用。

我们也掌握了相关实验操作技能，并通过实验得到了有价值的数据和结论。

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。

三、光的偏振与双折射偏振实验最大的难点是找偏振片，方法如下（1）找有偏振墨镜的同学借墨镜（2）找有摄影爱好的同学借偏光片（3）用玻璃的反射光（4）找老师借1. 彩色的魔术溶液本实验需要稠玉米浆或葡萄糖溶液，600-1000ml带有密封盖子的玻璃或透明塑料广口瓶，偏振片，幻灯机，不透明和透明的幻灯片，光屏。

将偏振片剪好，使之可以刚好覆盖广口瓶内壁的一半(半圆柱型)。

将偏振片紧贴广口瓶内壁。

用稠玉米浆充满广口瓶，然后将广口瓶封好。

再剪好另一个偏振片在幻灯机中使用。

在幻灯机中放置三个幻灯片，放的顺序为：透明幻灯片，不透明的幻灯片，偏振片(如果没有幻灯机，用手电也可以)。

偏振片的轴向应该与广口瓶中偏振片的轴向成九十度。

调整幻灯机使光可以通过广口瓶并且可以聚焦到光屏上。

当透明幻灯片在幻灯机中时，令幻灯机的光透过广口瓶，广口瓶有偏振片的方向对着观察者。

沿垂直于与前表面的轴向旋转广口瓶，什么现象都没有发生。

将不透明的偏振片插入，然后迅速插入偏振片，像原来一样旋转。

学生可以看到旋转过程中出现很多不同的颜色。

2．偏振太阳镜在偏振光实验中，把一个用偏振片制作的便宜太阳镜作为光源，从太阳镜表面反射的阳光将变成偏振光。

因此，当从反射表面产生的眩光的偏振角度和一幅偏振太阳镜的偏振方向成90度时，眩光就会被消除。

糖溶液也可以使光产生偏振，所以可以用通过测量溶液的偏振光的旋转角度来测量溶液的浓度。

3．偏光效应在压力下，某些材料可以产生应力双折射，使透射偏振光的偏振方向发生改变。

找两个偏振片。

将有机塑料瓶三角板插入到偏振片之间。

用手紧握三角板。

旋转其中的一个偏振片，使两偏振片通光方向的夹角发生改变。

看看不同压力，不同偏振片夹角下的透射图像有什么变化。

4．验证马律斯定律在摄影技术经常用到的两个起偏镜，被安装在有角度刻度的支架上。

让起偏镜的偏振方向一致以得到最大的光能输出，然后从0度每隔5度的调节其中一个偏振片到180度，然后我们将输出光强和角度作表，通过实验数据和拟和的结果就可以验证马律斯定律。

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。

第12节 偏振片 马吕斯定律一、 偏偏振化方向（起偏方向）1、 起偏、起偏器2、 检偏、检偏器A B 示教二、 马吕斯定律 线偏振光通过一个偏振片后，透射光强I 与入射光强0I 之间满足α20cos I I = 马吕斯定律 0I Iα：入射线偏振光振动方向与偏振片偏振化方向的夹角证：设入射线偏振光的振幅0A αcos 0//A A =，αsin 0A A =⊥ α2202//0cos ==A A I I，α20cos I I = 注意：只对入射线偏振光成立若入射光是自然光，021I I =讨论：0=α，0I I =2/πα=，0=I入射光 旋转偏振片 透射光线偏振光 明暗交替变化自然光 光强不变部分偏振光 强弱交替变化 例：让一束自然光通过两个偏振化方向相互垂直的偏振片，透射光强=？如果在两个偏振片之间 加上另一个偏振片，其 偏振化方向与第一个偏振偏振化方向夹角为α，透射光强αα220sin cos 21I I =如果每个偏振片吸收%10的平行于偏振化方向的光振动能量 透射光强%90sin %90cos %9021220⋅⋅⋅⋅⋅=ααI I第13节 反射和折射光的偏振入射面：∏（入射线，法线）反射定律i i ='折射定律γsin sin 21n i n = MM '反射光和折射光都是部分偏振光反射光中，⊥振动多于//振动 折射光中，//振动多于⊥振动120n n arctg i i ==时 反射光为完全偏振光，只包含⊥0i ：布儒斯特角（起偏角） 120n n tgi =：布儒斯特定律 注意：（1）0i i =时，只反射部分⊥振动，不反射//振动折射光中包含其余的⊥振动和全部的//振动折射光仍是部分偏振光（2）0i i =时，反射光线⊥折射光线 证明：γsin sin 201n i n =，120n n tgi ==00cos sin i i ，0201cos sin i n i n = γs i n 2n =02cos i n ，γsin =0cos i =)sin(0i -π，20πγ=+i （3）自然光以布儒斯特角 照射玻璃片堆，可使折射光成为完全偏振光折射光中只剩下//振动例：一束自然光以布儒斯特角从空气照射玻璃片，界面2上的反射光是（A ）自然光 （B ）完全偏振光，光矢量振动方向⊥ （C ）完全偏振光，光矢量振动方向// （D ）部分偏振光 解：对界面1，0i 是布儒斯特角，对界面2，γ是布儒斯特角 120n n t g i =，20πγ=+i ，210n n c t g i tg ==γ 例：第14节 晶体的双折射现象一、晶体的双折射现象用自然光照射某些晶体（方解石）表面 产生两束折射光 示教特点：（1） 寻常光线（o 光），遵守折射定律非常光线（e 光），不遵守折射定律（2） 两条光线都是线偏振光，振向不同（3） 光轴（光线沿该方向入射不产生双折射）p253，单轴晶体，双轴晶体某条光线与光轴构成的平面：该光线的主平面 ∏（o 光，光轴）：o 光主平面 ∏（e 光，光轴）：e 光主平面（4）o 光振向⊥o 光主平面e 光振向//e 光主平面二、 对双折射的解释产生双折射的原因： o 光、e 光在晶体中的传播速度不同o 光波面是球面，e 光波面是旋转椭球面沿光轴方向o 光、e 光速度相同垂直光轴方向o 光、e 光速度相差最大o V ：o e 光速度o V e Vo V e e oo o n V c =/，e e n V c =/o n 、e n ：晶体的主折射率1、 平行光斜入射（光轴位于2、平行光垂直入射（光轴位于 入射面内，光轴与界面斜交） 入射面内，光轴与界面斜交）3、 平行光垂直入射（光轴平行4、平行光垂直入射（光轴位于 界面，光轴位于入射面内） 入射面内，光轴垂直界面）光轴 e o ,光同传播方向，但速度不同 e o ,光同传播方向，速度相同 仍属于双折射 不属于双折射5、 平行光斜入射（光轴//界面，光轴垂直入射面）o 光、e 光都遵守折射定律，e e o o n n i n γγsin sin sin 1==三、 偏振棱镜1、 尼科耳（棱镜）用加拿大树胶粘在一起加拿大树胶对o 2、 渥拉斯顿镜两块方解石直角棱镜构成两者光轴相垂直负晶体，e V >o V ，e n n <e 垂直板面振动的光线： 对第一块棱镜是o 光对第二块棱镜是e 光平行板面振动的光线： 对第一块棱镜是e 光对第二块棱镜是o 光垂直板面振动的光线由o →e 光，光密→光疏，折射光偏离法线 平行板面振动的光线由e →o 光，光疏→光密，折射光靠近法线 两条光线分开，都是线偏振光四、 偏振片某些双折射晶体对o 光和e 光的吸收率不同：二向色性 偏振片 获得偏振光的方法：（1）偏振片（2）偏振棱镜（3）以布儒斯特角照射玻璃片例：两块偏振片叠放在一起，其偏振化方向夹角 30，用强度相同的自然光和线偏振光混合而成的光束垂直入射，已知两成分的入 射光透射后强度相等求：（1）入射光中线偏振光振向与第一块偏振片偏振化方向夹角（2）透射光强与入射光强之比（3）若每个偏振片对透射光吸收率为%5，再求透射光强与入射光强之比解：（1）设入射线偏振光强为I ，入射自然光强为I30cos 2130cos cos 222I I =α，21c o s 2=α， 45=α（2）375.083230cos 2130cos cos 222==+=I I Iα入射光强透射光强（3）=入射光强透射光强=I I I 2%9530cos %9521%9530cos %95cos 222⋅⋅+⋅⋅⋅α=338.0%)95(832=⨯。