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1、1第五章（Polarization of light）光 的 偏 振25.1 光的偏振状态5.2 线偏振光的获得与检验5.3 反射和折射光的偏振 ，*散射光的偏振5.4 双折射现象5.5 椭圆偏振光和圆偏振光 5.6 偏振光的干涉 5.7 人工双折射 5.8 旋光现象本章目录35.1 光的偏振状态 一. 完全偏振光E播传方向振动面面对光的传播方向看 线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：EEyExyx1.线偏振光（linearly polarized light）表示法： 光振动垂直板面光振动平行板面4右旋圆 偏振光0yyxz传播方向 /2x某时刻右旋圆偏振光 E 随 z 的变化E2. 圆偏振光
2、（circularly polarized light）和线、圆和椭圆偏振光均称为完全偏振光。椭圆偏振光（elliptically polarized light）左旋椭圆 偏振光5为某个确定值的线偏振光的合成。右旋圆偏振光的合成。圆和椭圆偏振光可看成是两束频率相同、传播方向一致、振动方向相互垂直、相位差反之， 线偏振光则可以看成是两束频率相同、 相位相同、振幅相同、 传播方向亦相同的左、相位差 /2或3 /2xy yxx，y振幅相同，相位差不等于 0，和 2 /2， 3 /26二. 自然光（natural light）垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。自然光的表示法：没有优势方向自然光的分解
3、一束自然光可分解为两束振动方向相互非相干7三. 部分偏振光表示法：自然光和完全偏振光的混合，就构成了部分 最常讨论的部分偏振光可看成是自然 光和线偏振光的混合，偏振光。分解非相干平行板面的 光振动较强 垂直板面的 光振动较强反射光就是这种部分偏振光，天空的散射光和水面的 它可以分解如下：8四. 偏振度（degree of polarization） Ip 部分偏振光中包含的完全偏振光的强度It 部分偏振光的总强度In 部分偏振光中包含的自然光的强度完全偏振光 （线、圆、椭圆） P = 1 自然光 （ 非偏振光） P = 0 部分偏振光 0 no负晶体：ne vo)如：石英、冰如：方解石、红宝石
4、 vot光轴光轴vetvot43ee三. 单轴晶体中光传播的惠更斯作图法 1. 光轴平行晶体表面，自然光垂直入射 光轴晶 体 o、 e方向上虽没分开，下面以负晶体(ve vo)为例，介绍该方法：oo但速度上是分开的，这仍是双折射。以惠更斯原理为依据的惠更斯作图法，是研究光在晶体中传播的重要方法。44o e2. 光轴平行晶体表面，且垂直入射面， 晶体光轴rei votveto ect自然光斜入射在这种特殊的情况下，对e 光也可以用折射定律。r0453. 光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射e方解石光 轴o此时e光的波面不再与其波射线垂直了。ooee晶体光 轴这正是前面演示的情形。注意：465.5
5、椭圆偏振光和圆偏振光 一. 晶体起偏器件1. 晶体的二向色性、晶体偏振器某些晶体对o光和e光的吸收有很大差异，例如，电气石对o光有强烈吸收， 光轴e光电气石光轴对e光吸收很弱，用它就可以产生线偏振光。这叫晶体的二向色性（dichroism）。472. 偏振棱镜 偏光棱镜：光轴的取向使e光对应的恰是 ne 。no（1.6584） n（1.55） ne（1.4864）i 临界角，o 光全反射了，e 光可通过。偏振棱镜可由自然光获得高质量的线偏振光，可由自然光获得原方向的线偏振光如： 光轴光轴方解石方解石加拿大树胶 (n = 1.55)oe吸收涂层i格兰 汤姆孙棱镜它又可分为偏光棱镜和偏光分束棱镜。
6、48 偏光分束棱镜： 可由自然光获得分开的两束线偏振光。ee12方解石方解石 o光轴光轴沃拉斯顿棱镜o如：光进入到第1块方解石后， o光和 e光在方向上没有分开，由于方解石2和方解石1二者光轴垂直，当光进入到方解石2时，o 光变成e光，e光变成o 光，于是两光束在界面处发生折射而分开。49二. 晶体相移器件，圆和椭圆偏振光的起偏1. 晶片 相位延迟片晶片是光轴平行表面的晶体薄片。 ydxAAoAe线偏振光 光轴AAoAe光轴P振幅关系：椭圆偏振光 d光轴晶片从晶片出射的两束光由于出现相位差， 而合成为一束椭圆偏振光。50通过厚为d的晶片，o、e光产生相位差为：则出射光为圆偏振光。若且ydxAA
7、oAe线偏振光 光轴椭圆偏振光 d光轴晶片或圆偏振光512. 波（晶）片（1）四分之一波片（quarter-wave plate） 线偏振光圆偏振光 线偏振光线偏振光可从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）（是对某个确定波长 而言的）波片厚度满足线偏振光椭圆偏振光52（2）二分之一波片可使线偏振光振动面转过2 角度Ao入Ao出A入A出Ae入= Ae出光轴（3）全波片三. 椭圆与圆偏振光的检偏用四分之一波片和偏振片可区分出自然光和 或部分偏振光和椭圆偏振光。圆偏振光，53四分之一波片圆偏振光自然光自然光线偏振光偏振片（转动）线偏振光I不变线偏振光I 变，有消光以入射光方向为轴四分之一波片椭圆偏振
8、光部分偏振光线偏振光偏振片（转动）线偏振光I 变，有消光部分 偏振光光轴平行最大光强或最小光强方向放置线偏振光I变, 无消光或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置54 如何区分由自然光和椭圆偏振光组成的部分偏振光与由自然光和线偏振光组成的部分偏振光？ 思考 如何区分由自然光和圆偏振光组成的部分偏振光与自然光？555.6 偏振光的干涉 一. 偏振光干涉装置偏振化方向偏振片P2单色自然光偏振片P1偏振化方向d晶片C光轴方向 二. 偏振光干涉的分析 1. 振幅关系 Ao A2oP2P1CA1AeA2e在P2 后：相干在P1 后：屏56通过晶体C后：此两束光合成为一束椭圆偏振光。再通过P2 后：2. 相
9、位关系 相长干涉 相消干涉若单色光入射，则屏上为等厚条纹。且d不均匀，（若P1、P2夹角小于， 则无附加相位差）57石英劈尖的偏振光干涉（等厚条纹）58于某种颜色干涉相消，而呈现它的互补色，三. 色偏振（chromatic polarization） 若白光入射，且晶片d 均匀，若d不均匀，则屏上出现彩色条纹。红色（656.2 nm）相消如：蓝色（485.4nm）相消色偏振是检验材料有无双折射效应的灵敏方法， 用显微镜观察各种材料在白光下的色偏振，分析物质内部的某些结构 偏光显微术。则：屏上由这叫（显）色偏振。 绿色（492.1nm）； 黄色（585. 3 nm）。可以59硫代硫酸钠晶片的色偏
10、振图片605.7 人工双折射 人为地造成各向异性，而产生双折射。 一. 光弹效应（photoelastic effect）应力各向异性在一定应力范围内：光弹效应也叫应力双折射效应。 v 各向不同 n各向不同FFP1P2 dS干涉有机玻璃C61各处 不同各处 不同出现干涉条纹，模 型 的 光 弹 图 象吊 钩 的 光 弹 图 象变 变干涉情况变。62二. 电光效应（electro optic effect）电光效应也叫电致双折射效应。1.克尔效应 （kerr effect） （1875年）45P2盒内充某种液体，如硝基苯（C6H5NO2）l+-克尔盒dP145不加电场液体各向同性P2不透光； 加
11、电场液体呈单轴晶体性质， 光轴平行电场强度 P2透光。63 二次电光效应k 克尔常数，U 电压克尔效应引起的相位差为：则产生硝基苯，若 l = 3cm，d = 0.8cm，对 = 600nm的黄光，时， 克尔盒相当半波片， P2透光最强 。时的电压k= 64可作为光开关（响应时间109s）， 克尔盒的应用：克尔盒的缺点：和加数万伏的高电压，用于高速摄影、激光通讯、光速测距、脉冲激光系统（作为Q开关）硝基苯有毒，需要极高的纯度故现在很少用。易爆炸，652. 泡克尔斯效应（pockels effect）（1893年）。电光晶体 +。-P1P2KK泡克尔斯盒光传播方向与电场平行，电极K和 K透明，晶
12、体是单轴晶体，不加电场 P2 不透光。 加电场晶体变双轴晶体了双折射效应原光轴方向附加 P2 透光。光轴沿光传播方向。66no o光在晶体中的折射率；泡克尔斯效应引起的相位差： 线性电光效应r 电光常数；时，P2透光最强。KH2PO4（KDP）、NH4H2PO4（ADP）等对 = 546nm的绿光， 如KDP no =1.51， U 电压。激光调Q，超高速开关（响应时间小于109s）， 数据处理显示技术，应用：单晶都具有线性电光效应。67后空翻动作高速摄影图片：击高尔夫球的动作68牛 奶 滴 向 盘 中 的 牛 奶69子弹射穿苹果的瞬间70三. 磁致双折射科顿 穆顿（Cotton-Mouton
13、）效应：某些透明液体在磁场H作用下变为各向异性，HC 二次效应需要很强的磁场才能观察到。性质类似于单轴晶体，光轴平行磁场。715.8 旋光现象 一. 物质的旋光性（optical activity）除石英外，氯酸钠、乳酸、松节油、糖的旋光物质a 旋光率l1811年，法国物理学家阿喇果（Arago）其振动面能发生旋转，发现，线偏振光沿光轴方向通过石英晶体时， 这称为旋光现象。光轴水溶液等也都具有旋光性。72二. 菲涅耳对旋光性的解释线偏振光可看作是同频率、等振幅、有确定 相位差的左(L)、右(R)旋圆偏振光的合成。实验表明，旋光率 a 与旋光物质和入射波 长有关， 对于溶液，还和旋光物质的浓度有
14、关。 石英对 = 589nm的黄光，a = 21.75/mm； 而对 = 408nm的紫光，a = 48.9/mm 。 同一种物质也可以有左旋体和右旋体，物质的旋光性是和物质原子排列结构有关的，原子排列互为镜像对称，它们的 称为同分异构体。73光通过旋光物质后，初相位EELERO在出射面上：设入射时L、R初相为0， 旋光物质长为l，同一时刻光通过左旋物质显然此物质为左旋体。初相初相要滞后。ELERE入射面(a)出射面(b)ELERE RL74由图示：令 旋光率则 (a )(b)d出射面(b)ELERE RLELERE入射面(a)这既解释了旋光现象， 与物质（由nR和nL反映）和入射波长有关。又
15、说明了旋光率a75三. 量糖术 对旋光溶液有C 溶液的浓度，“量糖计”可分析旋光（同分）异构体的成分， 例如：氯霉广泛用在化学和制药等工业中。 素天然品为左旋体， 称合霉素，其中只左旋有疗效。 分离出左旋品（左霉素），疗效同天然品。用量糖术可 a C = a 溶液的旋光率， = a C l a 溶液的比旋光率。合成品为左、右旋各半，76四. 磁致旋光（magnetic opticity）l磁致旋光物质B旋转的角度 V 费德尔常量，水、二硫化碳、 食盐、乙醇等对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是由都是磁致旋光 物质。旋光物质本身决定的，与光的传播方向无关。77反射镜入射光左旋反射镜反射光 左旋自然旋光物质78反射镜反射光右旋B反射镜入射光左旋B对磁致旋光物质，光沿 与逆 方向传播，磁性旋光物质振动面旋向相反。 79光
