三棱镜使一束激光的横截面形状改变三次

            三棱镜使一束激光的横截面形状改变三次

摘要：让一束激光通过一个三棱镜，调节激光束的焦点，使焦点在激光器和三棱镜之间，然后转动棱镜，让通过棱镜的激光束偏转的方向最小，这时激光束拥有最小偏向角，激光束在通过棱镜前后其光束横截面形状都是圆形的。继续转动棱镜，这时观测从棱镜中出来的激光束——在棱镜附近，光束横截面变成椭圆形；离棱镜稍远一点，光束横截面是圆形；更远一点，光束横截面又变为椭圆形，不过相对前面一个椭圆形旋转了90°。对于这个奇怪的实验现象，作者的解释是光束中相邻光子之间有力的作用。

关键词：三棱镜  激光束   最小偏向角   光斑  折射

一.实验内容

在一次有激光和三棱镜的实验中，作者偶然发现了一个奇怪的光学现象，就是一束激光经过三棱镜之后，其光斑形状竟然先后在空中改变了两次，后来经过多次实验，逐渐找到了一些规律，具体实验光路如示意图。

激光器上有调焦装置，可以对光束进行调焦；三棱镜为直角三棱镜；光屏就是一张白纸板，实验中只有一个光屏，每次观测光斑时都要求光轴和光屏垂直。

在本文的实验中，激光束刚从激光器出来时为圆形光斑，直径约5毫米，大约在离激光器出光口90毫米处到达焦点，在离焦点约80毫米处到达棱镜。

通过旋转棱镜，使射入棱镜光束的方向和射出棱镜光束的方向的夹角达到最小，这时棱镜就处在最小偏向角的位置。用光屏在示意图中的A、B、C三个地方来观测光斑形状（A点离棱镜约5厘米，B点离棱镜约25厘米，C点离棱镜约40厘米），光斑的形状都是圆形。

把光屏放置在A点处，继续旋转棱镜改变折射光的方向，同时旋转光屏使光屏始终与光轴垂直，直到光屏上出现椭圆形光斑（如a光斑），这时停止旋转棱镜和光屏；然后把光屏放置到B点处，光屏与光轴垂直，观测到圆形光斑（如b光斑）；接着把光屏放置到C点处，光屏与光轴垂直，观测到椭圆形光斑（如c光斑），但c光斑的椭圆形相对a光斑的椭圆形旋转了90°。

二．实验讨论

对这个实验现象的解释：在一束光中，每个光子和附近的光子都会有力的作用，如果让一束光的光轴和坐标系的X轴重合，棱镜使光子相对坐标系Z轴改变方向的同时，也使光子相对坐标系Y轴改变了方向。具体的表现为——光束中的光子在经过焦点之后，如果没有遇到棱镜，随着光程的增加，大部分光子会越来越远离光轴，但是遇到棱镜后，有些光子会越来越靠近光轴，并在一条“焦线”上相交，从而再次远离光轴。

对于一种实验新现象，可能会有多种解释，希望这个光学现象能够促进人们对光的认识。

这个试验让“光”更加表现出“波”——振动的特性来。
反正我是这样理解的。

法拉利ss 发表于 2014-6-19 08:48
这个试验让“光”更加表现出“波”——振动的特性来。
反正我是这样理解的。 ...

不是光子之间力的作用吗？

我相信这个光学现象将来一定会在教科书上出现，大家就现在动起手来，亲手来呈现这个神奇的光学现象吧！

这个用简单的几何光学就可以解释了吧，棱镜的那个角类似于凸透镜，对光线有汇聚作用，但是棱镜的两个表面是平面，而不是球面，所以对光线的汇聚作用不是各向同性的，就是说横向和纵向的光线汇聚的焦点不同，这样汇聚出来的就不是一个圆形光斑，而是椭圆，比如a点，横向汇聚比纵向要强，c点是横向已经发散的光线了，b点刚好是中间状态。

光子和光子之间是没有力的作用的！！
首先光子不带电，没有电磁力！第二光子没有质量，不存在万有引力！

楼主没有考虑棱镜内的多次反射问题。
A处的拉长原因主要是棱镜内的多次反射形成的。普通的光由于亮度比较低，这种效应不显著，激光就显著多了。
如果在棱镜光路出口加一个遮光板，只允许直接折射通过的光，你说的现象应该就会消失。

只知道，光具有波-粒二象性，是振荡着的电磁场的传播，并且具有干涉现象。光子的静止质量为零。

晕死，你是怎么理解波的……

看看楼下各位的解说吧！

cruiling 发表于 2014-6-19 11:03
这个用简单的几何光学就可以解释了吧，棱镜的那个角类似于凸透镜，对光线有汇聚作用，但是棱镜的两个表面是 ...

这个解释和我的解释是类似的。

上帝之友 发表于 2014-6-20 09:11
这个解释和我的解释是类似的。

但你这个理解不能够解释最小偏向角的状况。

上帝之友 发表于 2014-6-19 20:11
这个解释和我的解释是类似的。

类似？？你的解释有本质上的错误！
你的解释是光子之间有力的作用，所以造成了光斑的形变，这个解释是错误的。为什么错误看我上次的回帖。
我的解释是光在不同方向上折射的路线不同，因为激光可以认为是多束光线的集合，每一束光线折射角度不同。

上帝之友 发表于 2014-6-19 20:16
但你这个理解不能够解释最小偏向角的状况。

如果你知道棱镜的折射率，手算都能算出来怎么摆放偏向角最小！
麻烦你看一下最基本的几何光学

这个和光子之间的作用力，万有引力什么的，显然不搭边。就是几何光学的问题。
我觉得原理应该是这样的：
入射光和棱镜的接触面是椭圆面，且有一个夹角，这就会导致通过棱镜的出射光束中的各光线的光路的传播方向不同，这样就会导致在不同投射距离上分别看到圆形及椭圆形的光斑。

PS：用这类简单的实验设备在今天是很难有什么“新发现”的。

李灼 发表于 2014-6-20 09:29
这个和光子之间的作用力，万有引力什么的，显然不搭边。就是几何光学的问题。
我觉得原理应该是这样的：
入 ...

因为同一光束内的不同光线入射角不同、并入射在棱镜的不同部位上，就会导致出射光束不再是入射前的圆锥状。

由于棱镜在焦点之后，入射光的角度确实不同了。但在最小偏向角的位置，入射光的入射角也是不同的。入射角的不同也许是原因之一，但造成这种现象的原因也许是多个因素共同造成的。

李灼的解释有一定道理。

上帝之友 发表于 2014-6-20 10:10
由于棱镜在焦点之后，入射光的角度确实不同了。但在最小偏向角的位置，入射光的入射角也是不同的。入射角的 ...

其实我想，从棱镜出射后的光束，应该就是在你一楼的图中沿垂直方向，光斑的短轴逐渐增加的过程，这样就会是先是横向的椭圆，然后是正圆，再后是竖向的椭圆。而光束的横向宽度应该是一直不变的。

李灼 发表于 2014-6-20 10:47
其实我想，从棱镜出射后的光束，应该就是在你一楼的图中沿垂直方向，光斑的短轴逐渐增加的过程，这样就会 ...

“而光束的横向宽度应该是一直不变的。”——光束的横向宽度应该也是缓慢匀均增加的，因为入射光束是圆锥形的，而不是圆柱形的。

实验现象确实如李灼所述，光束从棱镜中出来后是椭圆形光斑，随着光程的增加，椭圆形的短轴比长轴增加的更快，变成了圆形光斑，进一步增加光程，光斑的短轴变成长轴，光斑又变成椭圆形，只是两个椭圆形相差了90度。