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1、第23章 光的偏振,教学基本要求,一、理解自然光与偏振光的区别，掌握光的五种偏振态的获得方法和检验方法； 二、理解布儒斯特定律和马吕斯定律; 三、了解双折射现象和旋光现象。 作业：,23.0 概述光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性，但还不能由此确定光是横波还是纵波；光的偏振现象证实了光的横波特性，这与电磁场理论的予见完全一致。光的偏振现象对于人们的日常生活和科学技术的发展都有重要的作用。,23.1 自然光和偏振光,机械横波与纵波的区别,一、偏振的概念：振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振。,偏振性是横波区别于纵波的一个最明显的标志，只有横波才有偏振现象。,1.线偏振光：,二、光波的五种偏振状
2、态,章首页,2.自然光：光矢量对于传播方向完全对称的光波，其效果可用两个互相垂直、位相没有关联的线偏振光来代替。,3.圆偏振光：|E|= 常量,方向绕传播方向匀角速的转动的光波。顺时针为右旋，逆时针为左旋。,4.椭圆偏振光：E 的大小和方向都在有规律的变化，E 的末端在垂直于传播方向的平面内投影点的轨迹为椭圆的光波。,章首页,5.部分偏振光：自然光在传播过程中，由于外界的作用造成各个振向上的强度不等的光波。,若某一部分偏振光沿某一方向上具有光强的最大值 ，在其垂直方向上具有光强的最小值 ，通常用来量度偏振的程度，并称 为偏振度。,三、获得线偏振光的常用方法, 利用物质的二向色性制成偏振片(器)
3、, 反射或玻璃片堆, 利用物质的双折射特性制成偏振棱镜,二向色性 : 某些物质能吸收某一方向的光振动 , 而只让与这个方向垂直的光振动通过，这种性质称二向色性 。,一、偏振器(片) ：能使自然光变成偏振光的装置(器件)。-将二向色性材料涂在透明薄片上就可制成一个偏振片。,二、 透射轴方向(偏振化方向) ：当自然光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的透射轴方向，也叫偏振化方向 。,三、起偏和检偏起偏-将自然光变成偏振光的过程；检偏-检验入射光是否为偏振光并确定其振动方向。,3.2 起偏与检偏,检偏器,起偏器,四、马吕斯定律（1880 年）,马吕斯定律-强度为 的偏振
4、光通过检偏振器后, 出射光的强度为,例1 两个偏振片的透射轴互相垂直，在它们之间插入两块偏振片，使相邻两个偏振片的透射轴都成30角。如果入射的自然光光强为 ，求通过所有偏振片后的透射光的强度。,解：入射的自然光强为 ，通过第一个偏振片后，光强为原来的一半，即 ；设通过第二、第三、第四个偏振片后的光强分别为 ，已知相邻两个偏振片的透射轴都成30角，则根据马吕斯定律有,解 ： 设两束单色自然光的强度分别为 和 .,例2 有两个偏振片,一个用作起偏器, 一个用作检偏器. 当它们偏振化方向间的夹角为 时 , 一束单色自然光穿过它们, 出射光强为 ; 当它们偏振化方向间的夹角为 时, 另一束单色自然光穿
5、过它们 , 出射光强为 , 且 . 求两束单色自然光的强度之比 .,经过起偏器后光强分别为 和 .,经过检偏器后,入射面 入射光线和法线所成的平面 .,反射光 部分偏振光 ，垂直于入射面的振动大于平行于入射面的振动 .,折射光 部分偏振光，平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动 .,理论和实验证明：反射光的偏振化程度与入射角有关 .,23.3 光反射与折射时的偏振性,1）反射光和折射光互相垂直 .,2）根据光的可逆性，当入射光以 角从 介质入射于界面时，此 角即为布儒斯特角 .,讨论下列光线的反射和折射（起偏角 ）.,讨论 如图的装置 为偏振片，问下列四种情况，屏上有无干涉条纹？,1）去掉
6、保留 2）去掉 保留 3）去掉 保留 4） 都保留 .,无（两振动互相垂直） 无（两振动互相垂直） 无（无恒定相位差） 有,例3：已知普通玻璃，当i=i0时， S/=0,S=0.08，求： R，R的相对光强。,玻璃片堆,1.问题的提出,2.获得线偏光的原理,3.实用价值,3.4 双折射偏振,一、基本现象与概念,1.双折射现象,用一块透明的光学性质为各向异性的介质-方解石晶体来做同样实验，看到的折射像不但是字“浮”起来了一些，而且是一高一低的两个字。这表明，一束光在方解石晶体内分成了两束，这种现象叫做双折射现象。,光通过双折射晶体,-服从折射定律的光线,（一般情况，非常光线不在入射面内）,实验证
7、明： O 光和 光均为偏振光.,2.寻常光(o光)和非常光(e光),-不服从折射定律的光线,寻常光线 在晶体中各方向上传播速度相同.,常量,非常光线 晶体中各方向上传播速度不同,随方向改变而改变.,为主折射率,3.晶体光学的几个基本概念,光轴（晶体内 的方向）,主截面： 当光在一晶体表面入射时，此表面的法线与光轴所成的平面.,当入射面是主截面时， O 光的振动垂直主截面； 光的振动平行于主截面.,单轴晶体：只有一个光轴的晶体,双轴晶体：有两个光轴的晶体,负晶体（neno） 正晶体（neno）,三、双折射棱镜,1.渥拉斯顿棱镜,ABC和ADC中，o、e光播向分析, ADC中，o、e光出射后播向分
8、析,加拿大树胶n=1.550,对o光全反射临界角, 用途：用作偏振器,2.尼科耳棱镜, 镜中o、e光播向分析方解石,no=1.658,ne=1.486,四、人为双折射,1.光弹性效应(用机械应力作用发生协变),透明的各向同性的介质在机械应力作用下,显示出光学上的各向异性光弹性效应。实验指出：不管是压力还是张力，其有效光轴都在应力方向上，并且所引起的双折射与应力P成正比,即：,2.电致双折射一电光效应(用强电场作用发生分子电矩定向排列),二硫化碳 三氯甲烷,克尔效应,发现于1875年，某些各向同性的透明介质在外加电,场的作用下为各向异性, 其光轴在电场方向上,设n/和n分别为在外加电场后光矢量平
9、行和垂直电,场方向时的折射率,泡克耳斯效应,发现于1893年，有些晶体、特别是压电晶体，在加了电场后也能改变其各向异性的性质。泡克耳斯效应是线性的，只存在于没有对称中心的晶体中。,3.磁致双折射一磁光效应(用强磁场作用发生分子磁矩,定向排列),3.6 旋光现象,能产生旋光现象的叫旋光物质(如石英晶体、糖溶液、酒石酸溶液等），物质的这种性质称为旋光性。,旋光仪-观察偏振光振动面旋转的仪器。,一、旋光现象-偏振光通过某些物质后，其振动面将以光的传播方向为轴线转过 一定的角度。,2. 左旋物质：面对着光源观察，使光振动面的旋转为逆时针的旋光物质（如蔗糖溶液）。,1. 右旋物质：面对着光源观察，使光振
10、动面的旋转为顺时针的旋光物质(如葡萄糖溶液）；,二、旋光现象的实验规律,线偏振光通过旋光晶体时，振动面转过的角度与晶体的长度成正比,式中 是与旋光物质及入射光波长有关的常量，称为该物质的旋光率。,线偏振光通过溶液时振动面转过的角度除了与容器的长度成正比外，还与溶液的浓度成正比,三、磁致旋光如同人工双折射效应一样，对一些本身不具有旋光性的物质，在施以外力作用时也会产生旋光性，其中最重要的是磁致旋光。这是法拉第于1846年发现的，常称为法拉第旋转。实验表明，对于给定的磁性介质，线偏振光通过样品后，振动方向转过的角度 与样品长度 和外加磁场的磁感应强度 成正比，即式中 为费尔德常量，是一个与物质性质、环境温度及入射光波长有关的量，一般物质的费尔德常量都很小。,解之，得,解： 由式 有,例10 纯蔗糖溶液的旋光率为 ，今有此蔗糖液每分米长度使线偏振光的振动面旋转 ，求此溶液的浓度.,四、旋光现象的应用-糖量计,L-透镜,P-起偏器,单色光源,T-玻璃容器,A-检偏器,1. 已知溶液旋光率时，T中先后装入溶剂和溶液，测出旋转角 ，浓度由公式 算出； 2. 不知溶液旋光率时，用比较法算出：,标准溶液( ) ，旋转角度 待测溶液( ) ，旋转角度,
