劉麗敏,陳 快,謝超然,李秀海
(北京化工大學(xué)理學(xué)院,北京100029)
負(fù)折射是指在介質(zhì)界面處入射光線(xiàn)和折射光線(xiàn)在界面法線(xiàn)同側(cè)的折射.說(shuō)到負(fù)折射很多學(xué)生都會(huì)很陌生,從中學(xué)物理起學(xué)生就認(rèn)為折射都是入射光線(xiàn)和折射光線(xiàn)在界面法線(xiàn)異側(cè)的.負(fù)折射現(xiàn)象是左手性材料中的一種很有代表性的特殊現(xiàn)象,這方面的研究進(jìn)展2003年曾被著名的Science期刊評(píng)為當(dāng)年的十大科技進(jìn)展之一[1].近年的研究表明,在普通右手性的各向異性材料(如普通晶體)中一定條件下也會(huì)形成負(fù)折射.本實(shí)驗(yàn)從教學(xué)的角度,用惠更斯作圖法說(shuō)明在普通單軸晶體中,適當(dāng)條件下也存在負(fù)折射現(xiàn)象,并實(shí)驗(yàn)演示這種現(xiàn)象.
對(duì)于單軸晶體,因?yàn)閑光的波矢與光線(xiàn)矢的方向一般不一致[2],滿(mǎn)足折射定律的是波矢,所以e光的折射光線(xiàn)一般不滿(mǎn)足折射定律,適當(dāng)條件下會(huì)出現(xiàn)負(fù)折射現(xiàn)象.
圖1[3-4]以正單軸晶體(no<ne)為例說(shuō)明負(fù)折射現(xiàn)象.圖中α角是入射角,φ角是晶體光軸與界面的夾角.作圖時(shí),以真空中入射光BB′作為單位1,晶體中回轉(zhuǎn)橢球次波面的半短軸則為1/ne,半長(zhǎng)軸為1/no.當(dāng)α較大時(shí),BB′較長(zhǎng),晶體中畫(huà)出次波面的尺度較大;α較小時(shí),畫(huà)出的次波面的尺度就較小.從圖1(a)看到當(dāng)α較大時(shí),折射光線(xiàn)與入射光線(xiàn)在界面法線(xiàn)的異側(cè),是普通的正折射;當(dāng)α小到一定程度時(shí)[圖1(c)],折射光線(xiàn)會(huì)與入射光線(xiàn)在界面法線(xiàn)的同側(cè),出現(xiàn)負(fù)折射.因此存在臨界的入射角αc,此時(shí)e光的折射光線(xiàn)正好與界面的法線(xiàn)重合[圖1(b)].
圖1 用惠更斯作圖法求正單軸晶體中的折射光線(xiàn)
惠更斯作圖法中的次波面即晶體光學(xué)中的光線(xiàn)面,通過(guò)應(yīng)用光線(xiàn)面方程、e光的光線(xiàn)方向和它對(duì)應(yīng)的波矢方向之間的關(guān)系式,考慮不同光線(xiàn)方向及和它對(duì)應(yīng)的波矢方向折射率的不同,界面處對(duì)波矢成立的Snell定律,對(duì)于正單軸晶體,臨界入射角為[2]
有關(guān)單軸晶體中發(fā)生負(fù)折射時(shí)的臨界入射角表達(dá)式的詳細(xì)推導(dǎo)可參看文獻(xiàn)[3].
YVO4晶體1塊,尺寸為5mm×10mm×20mm,晶體切割面法線(xiàn)與光軸夾角為45°,由切割面法線(xiàn)與光軸確定的平面為主平面,主平面平行于晶體10mm×20mm的平面;旋轉(zhuǎn)光學(xué)平臺(tái)1個(gè),平臺(tái)上標(biāo)有角度刻度,最小分辨率為0.1°;三維調(diào)節(jié)架1個(gè),調(diào)節(jié)精度每一維度為0.01mm;激光器1臺(tái),波長(zhǎng)532nm,線(xiàn)偏振光輸出,光譜線(xiàn)寬0.1nm,功率10mW;聚焦透鏡1個(gè),透鏡焦距約為25cm;532nm波長(zhǎng)的半波片1片;接收屏2個(gè)或CCD相機(jī)1臺(tái).
1)將半波片插入激光器輸出光束,旋轉(zhuǎn)半波片來(lái)調(diào)節(jié)入射到晶體的光的偏振態(tài),使光的偏振方向在主平面內(nèi)(晶體10mm×20mm的面).
2)將晶體放在旋轉(zhuǎn)光學(xué)平臺(tái)上,調(diào)節(jié)聚焦透鏡位置,使晶面基本處于透鏡焦距上,入射光束的腰在晶面上的光斑直徑約0.1mm.
3)如圖2(為圖示清楚起見(jiàn)YVO4晶體畫(huà)得較大,沒(méi)有按比例),在AB和CD處放入接收屏或CCD相機(jī)(注意AB⊥OO1,CD⊥OO1,為方便測(cè)量OO1最好大于50cm).
慢慢旋轉(zhuǎn)光學(xué)平臺(tái),改變?nèi)肷浣谴笮?,觀察負(fù)折射現(xiàn)象的發(fā)生.
圖2 實(shí)驗(yàn)光路示意圖
1)入射角較大時(shí)(對(duì)YVO4晶體入射角大于12.8°)是通常的正折射的情況,圖3是相應(yīng)實(shí)驗(yàn)圖片(圖上虛線(xiàn)是晶體界面的法線(xiàn)方向,實(shí)驗(yàn)演示時(shí)可讓學(xué)生簡(jiǎn)單地觀察晶體的長(zhǎng)邊方向,因晶體為長(zhǎng)方體,長(zhǎng)邊方向與短邊的法線(xiàn)方向一致;也可用氦氖激光垂直短邊顯示).
圖3 入射角較大時(shí)普通折射的實(shí)驗(yàn)圖片
2)當(dāng)漸漸減少入射角觀察到折射光線(xiàn)正好與界面的法線(xiàn)重合時(shí),此時(shí)的入射角為臨界入射角,光學(xué)平臺(tái)有刻度,可直接讀數(shù)得到;沒(méi)有刻度或刻度不夠精細(xì),可由實(shí)驗(yàn)光路示意圖2通過(guò)簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系計(jì)算出入射角:
3)將YVO4晶體在綠光(532nm)時(shí)的折射率no=2.021 0,ne=2.256 0,代入式(1),得到理論臨界入射角,可與實(shí)驗(yàn)中測(cè)出的結(jié)果相比較.圖4是入射角為臨界值時(shí)的實(shí)驗(yàn)圖片.
4)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)光學(xué)平臺(tái)減少入射角,當(dāng)α<αc時(shí)發(fā)生負(fù)折射現(xiàn)象,如圖5所示.
圖4 入射角為臨界值時(shí)的實(shí)驗(yàn)圖片
圖5 負(fù)折射時(shí)的實(shí)驗(yàn)圖片
負(fù)折射角β(折射光線(xiàn)與界面法線(xiàn)之間夾角)可以由實(shí)驗(yàn)光路示意圖2通過(guò)簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系計(jì)算出:
式中d為晶體2個(gè)通光面間的長(zhǎng)度(實(shí)驗(yàn)中是20mm),α是入射角.本實(shí)驗(yàn)中,負(fù)折射發(fā)生時(shí),折射角在0°~6°之間.
單軸晶體負(fù)折射現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生了解負(fù)折射現(xiàn)象在普通各向異性材料中滿(mǎn)足一定條件下也可發(fā)生,學(xué)習(xí)用惠更斯作圖法討論單軸晶體負(fù)折射現(xiàn)象,觀察釩酸釔(YVO4)晶體中的負(fù)折射現(xiàn)象,進(jìn)一步可嘗試觀察負(fù)反射現(xiàn)象.將科學(xué)前沿的熱點(diǎn)問(wèn)題與基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合,既有實(shí)驗(yàn)教學(xué)新意又有研制實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置的實(shí)際價(jià)值.本實(shí)驗(yàn)有利在教學(xué)中介紹左手性材料及負(fù)折射現(xiàn)象時(shí),給予學(xué)生正確全面的認(rèn)識(shí),說(shuō)明普通各向異性的右手性材料(如單軸晶體、液晶、雙軸晶體等)也會(huì)產(chǎn)生負(fù)折射現(xiàn)象.本實(shí)驗(yàn)還有助引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步詳細(xì)研究各向異性介質(zhì)中電磁波傳播的特殊現(xiàn)象,如雙波長(zhǎng)雙負(fù)折射[4]等.
本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究項(xiàng)目獲得2010年北京化工大學(xué)優(yōu)秀教學(xué)成果獎(jiǎng).
[1] The Science News and Enditorial Staff.Breakthrough of the year:the runners-up[J].Science,2003,302:2039-2045.
[2] 趙凱華.新概念物理教程:光學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2004:289-296.
[3] 劉麗敏.用惠更斯作圖法分析單軸晶體中的負(fù)折射現(xiàn)象[J].大學(xué)物理,2008,27(5):6-9.
[4] 劉麗敏,崔博勛.用惠更斯作圖法討論單軸晶體中雙波長(zhǎng)雙負(fù)折射現(xiàn)象[J].大學(xué)物理,2011,30(3):59-61.