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。 |