物理论文-双折射现象

物理论文-双折射现象

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时间:2018-08-01

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1、双折射现象DoubleRefractionPhenomenon摘要:通过上述实验以及课本的讲解,我们知道,双折射现象是由于e光在各向异性的介质中各个方向折射率不相同导致的,由此引出两个问题:1.同一光源发出的光为什么有o光和e光的区别?2.为什么e光在各向异性的介质中各个方向折射率会有区别?Abstract:Throughtheexperimentaboveandtheexpositioninthetextbook,weknewthereasonofdoublerefractionphenomenonistha

2、ttherefractiveindexofespeciallightdifferedineachdirection.Thereoutwegottwoquestions,1.Whythereisordinarylightandespeciallightfromthesamelamp-house ?2.Whytherefractiveindexofespeciallightdifferedineachdirectioninananisotropicmedium?关键字:双折射单晶体O光E光KeyWord:Doubl

3、eRefractionSingleCrystalOrdinaryLightEspecialLight把一块普通玻璃片放在有字的纸上,通过玻璃片看到的是一个字成一个象。这是通常的光的折射的结果。如果改用透明的方解石(化学成分是CaCO3)晶片放到纸上,看到的却是一个字呈现双象(如图1)。这说明光进入方解石后分成了两束。这种一束光射入各向异性介质时,折射光分成两束的现象称为双折射现象。图1图2同一光源发出的光经过同一介质却分成了两条光路,这显然违背了光的折射定律,为了研究这一现象,我们做以下实验(图2)。一束激光垂

4、直射入由方解石制成的晶片,透射光线在光屏上留下两个光点。若将晶片绕光的入射方向慢慢转动,则其中按原方向传播的那一束光方向不变,而另一束光随着晶体的转动绕前一束光旋转。根据折射定律,入射角i=0时,折射光应沿着原方向传播,可见沿原方向传播的光束是遵守折射定律的,而另一束却不遵守。更一般的实验表明,改变入射角i时,两束折射光中的一束恒遵守折射定律,这束光线被称为寻常光线,通常用o表示,并简称o光。另一束光则不遵守折射定律,即当入射角i改变时,sini/sinr的比值不是一个常数,该光束一般也不在入射面内。这束光称为

5、非常光线,并用e表示,简称e光。用检偏器检验的结果表明,o光和e光都是线偏振光。通过上述实验以及课本的讲解,我们知道,双折射现象是由于e光在各向异性的介质中各个方向折射率不相同导致的,由此引出两个问题:1.同一光源发出的光为什么有o光和e光的区别?2.为什么e光在各向异性的介质中各个方向折射率会有区别?既然o光和e光都是线偏振光,我们不妨设想,其区别是否与其振动方向有关。由课本上晶体结构的知识我们知道,各向异性的晶体都会有光轴,o光和e光沿光轴方向传播时传播速度相等。在晶体中,某光线的传播方向和光轴方向所组成的

6、平面叫做该光线的主平面。寻常光线的光振动方向垂直于寻常光线的主平面,非常光线的光振动方向在其主平面内。可见o光和e光的区别的确在于其光矢量(即电矢量)振动方向。有一个光轴的晶体称为单晶体,下面以单晶体为例来分析o光与e光的区别。查阅资料表明,单晶体其中的电子存在两个固有频率,一个是与光轴的平行方向的振动1,另一个是与光轴垂直方向的振动2。当o光射入晶体时(如图3),其振动方向(图中实线)与光轴始终垂直,则其频率与2(图中虚线)叠加,得到新的频率3。分析可知,无论光沿哪个方向传播,3为定值,因此光速为定值。当e光

7、沿光轴方向传播时(如图4),其振动方向(图中实线)也垂直于光轴,则其频率与2(图中虚线)叠加,得到新的频率4。则4=3,表明e光沿光轴方向传播时,其速度与o光相同。图3图4在上述两种情况中,光的振动方向未必和2同向,可能存在一定夹角,但2在光振动方向上的分量频率仍为2,并不影响结论。当e光与光轴成一定夹角入射时(如图5),可将其振动方向分解成两个矢量,一个垂直于光轴,另一个平行于光轴。这样,平行于光轴部分与1叠加,垂直于光轴部分与2叠加,再将叠加后两垂直方向上的振动叠加得7。分析可知,7与光传播方向与光轴的夹角

8、有关,即7与e光在单晶体中的传播方向有关,由此说明e光在单晶体中沿各个方向传播速度不同。限于数学,无法给出光速与光传播方向与光轴夹角的具体关系,不过由实验得出,其波面为旋转椭球面(如图6)。图6如此,便定性地解决了上述两个问题。下面在二维平面内分析上面实验中的光路,如图7。图7图8若旋转晶片,分析光路如图8。如此,若晶片中光轴方向如图9所示,则o光e光同向,光屏上仅得一个光斑。图9参考

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