1、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，
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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： SZ-14 3、凸透镜L： f=190mm(f=150mm) 4、二维调整架： SZ-07 5、平面反射镜M 二维调整架： S
9、Z-07 7、通用底座： SZ-04 8、二维底座： SZ-02 9、通用底座： SZ-0410、通用底座： SZ-04,四、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
10、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=|O1-O2|)，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
11、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： SZ-14 3、凸透镜L： f=190mm(f=150mm) 4、二维调整架： SZ-07 5、白屏H： SZ-13 6、通用底座： SZ-04 7、二维底座： SZ-02 8、通用底座： SZ-04 9、通用底座： SZ-04 四、仪器实物图及原理图（见图二）,五、实验步骤
12、 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
13、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： SZ-07 4、被测目镜Le(fe=14mm) 5、可变口径二维架： SZ-05 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 : SZ-38 8、三维底座： SZ-01 9、一维底座： SZ-03 10、一维底座： SZ-03 11、通用底座： SZ-04,四、仪器实物图及原理图,图三,五、实验步骤 把全部器件按图
14、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=(a1-a2)+(b2-b1) 被测目镜焦距：fe=s/
15、(m2-m1),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： SZ-07 4、物镜Lo： fo=15mm 5、二维调整架： SZ-07 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 : SZ-
16、38 8、三维底座： SZ-01 9、一维底座： SZ-03 10、一维底座： SZ-03 11、通用底座： SZ-04,四、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： =f0-fe ，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
17、、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）
18、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、
19、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： SZ-07 4、幻灯底片P 5、干板架： SZ-12 6、放映物镜L2： f2=190mm 7、二维调整架： SZ-07 8、白屏H： SZ-13 9、三维底座： SZ-01 10、一维底座： SZ-03 11、二维底座： SZ-02 12、一维底座： SZ-03 13、通用底座： SZ-04 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
20、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
21、。 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
22、，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
23、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
24、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： SZ-07 4、物镜Lo： fo=190mm 5、二维调整架： SZ-07,6、透镜组L1、L2： f1=220mm，f2=300mm 7、节点架： SZ-25 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 : SZ-38
25、 10、三维底座： SZ-01 11、一维底座： SZ-03 12、一维底座： SZ-03 13、一维底座： SZ-03 14、通用底座： SZ-04 15、白屏H： SZ-13,四、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
26、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=a-b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=a-b 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、
27、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，
28、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）=（2k-1）时，即在x=（2k-1）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+1-xk=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
29、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： SZ-07 4、单面可调狭缝： SZ-22 5、二维调整架： SZ-07 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 : SZ-38 9、三维底座： SZ-01 10、二维底座： SZ-02 11、一维底座： SZ-03 12、一维底座： SZ-03 13、凸透镜L： f=150mm 14、二维调整架： SZ-07 15、通用底座： SZ-01,四、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
30、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+1-xk=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
31、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
32、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。
33、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
34、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
35、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
36、。 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
37、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
38、，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，一般其偏振情况是要改变的。 （2）/2片与偏振光 （i）若入射光为线偏振光，在/2片的前面（入射处）上分解为=0或,出射光表示为讨论二波的相对位相差，上式可写为=故出射光二正交分量的相对位相差为： 和这说明出射光也
39、是线偏振光，但振动方向与入射光的不同。如入射光与晶片光轴成角，则出射光与光轴成-角。即线偏振光经/2片电矢量振动方向转过了2角。 （ii）若入射光为椭圆偏振光，作类似的分析可知，半波片既改变椭圆偏振光长（短）轴的取向，也改变椭圆偏振光（圆偏振光）的旋转方向。,（3）/4片与偏振光 （i）入射光为线偏振光=0或 则出射光为 则出射光为 此式代表一正椭圆偏振光。对应于右旋，对应于左旋。当时，出射光为圆偏振光。 （ii）入射光为圆偏振光此式代表线偏振光。出射光电矢量沿一、三象限；，沿二、四象限。,（iii）入射光为椭圆偏振光出射光为 可见出射光一般为椭圆偏振光。 三、实验仪器 1、HeNe激光器（6
40、32.8nm） 2、偏振片（起偏器） 3、可变口径二维架： SZ-05 4、偏振片（检偏器） 5、手动X轴旋转架： SZ-06 6、白屏H： SZ-13 7、通用底座： SZ-04 8、一维底座： SZ-03 9、一维底座： SZ-03 10、通用底座： SZ-04 11、1/4、1/2波片各一片 12、公用底座： SZ-04（波片使用） 13、手动X轴旋转架： SZ-06,四、仪器实物图及原理图,图十九,五、实验步骤，及数据处理 定偏振片光轴：把所有器件按图十九的顺序摆放在平台上，调至共轴。旋转第二个偏振片，使起偏器的偏振轴与检偏器的偏振轴相互垂直，这时可看到消光现象。 考察平面偏振光通过/
41、2波长时的现象：（1）在两块偏振片之间插入/2波长片，把X轴旋转架转动360度，能看到几次消光？解释这现象。 （2）将/2波长转任意角度，这时消光现象被破坏。把检偏器转动360度，观察到什么现象？由此说明通过/2波长片后，光变为怎样的偏振状态？,（3）仍使起偏器和检偏器处于正交（即处于消光现象时），插入/2波长，使消光，再将转15度，破坏其消光。转动检偏器至消光位置，并记录检偏器所转动的角度。 （4）继续将/2波长转15度（即总转动角为30度），记录检偏器达到消光所转总角度。依次使/2波长总转角为45度，60度，75度，90度，记录检偏器消光时所转总角度。半波片转动角度检偏器转动角度15度30度45度60度75度90度 从上面实验结果得出什么规律？,用波长片产生圆偏振光和椭圆偏振光 （1）按图十九使与起偏器和检偏器正交，用/4波长片代替/2波长片，转动/4波片使消光。 （2）再将/4波片转动15度，然后将检偏器转动360度，观察到什么现象？你认为这时从/4波片出来光的偏振状态是怎样？ （3）依次将转动总角度为30度，45度，60度，75度，90度，每次将检偏器转动，记录所观察到的现象。 /4波片转动的角度检偏器转动360度观察到的现象光的偏振性质15度30度45度60度75度90度,END,
