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1、第第1919章章 光的偏振光的偏振一、一、光的偏振状态光的偏振状态只有横波有偏振现象，只有横波有偏振现象，纵波无偏振问题纵波无偏振问题通光方向通光方向1 1. .自然光自然光一束自然光可分解为两束振动方一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干向相互垂直的、等幅的、不相干(无固定相位关系无固定相位关系)的线偏振光的线偏振光 坐标轴任意选择坐标轴任意选择12 2. .线偏振光线偏振光Ezo光波中的光矢量光波中的光矢量( )只沿单一方向振动的光只沿单一方向振动的光平面偏振光平面偏振光完全偏振光完全偏振光振动面振动面 在纸面内振动在纸面内振动垂直纸面的振动垂直纸面的振动线偏振光的表示线
2、偏振光的表示线偏振光的分解线偏振光的分解初相相同初相相同(或差或差 )的两线偏振光的两线偏振光 3.3.部分偏振光部分偏振光本质上同自然光本质上同自然光 但显示出某个方向的振动较强些但显示出某个方向的振动较强些 分解分解分量占优分量占优分量占优分量占优可看作线偏振光可看作线偏振光与自然光的混合与自然光的混合25.5.偏振度偏振度 线偏振光线偏振光自然光自然光部分偏振光部分偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光 = = 0yx仍仍为为线线偏偏振振光光椭圆偏振光椭圆偏振光右旋右旋左旋左旋4.4.椭圆偏振光椭圆偏振光偏振方向垂直、频率相同、相位差恒定的线偏振光的合成偏振方向垂直、频率相同、相位差恒定的线偏振光的
3、合成3二、二、起偏起偏 检偏检偏 马吕斯定律马吕斯定律1.从普通光源中获得偏振光从普通光源中获得偏振光起偏起偏利用某种光学不对称性：物质的二向色性；光的反利用某种光学不对称性：物质的二向色性；光的反射和折射；光在晶体上的双折射；光的散射射和折射；光在晶体上的双折射；光的散射 偏振片偏振片只让某一方向的光振动通过的光学元件只让某一方向的光振动通过的光学元件偏振片偏振片自然光自然光线偏振光线偏振光2.2.马吕斯定律马吕斯定律偏振化方向偏振化方向偏振片偏振片偏振化方向；偏振化方向；P4例：橱窗设计例：橱窗设计 立体电影立体电影三、检偏三、检偏两个偏振片正交，自然光入射，出射光如何？两个偏振片正交，自
4、然光入射，出射光如何？5 在两块正交偏振片在两块正交偏振片 之间插入另一块偏振片之间插入另一块偏振片 ，光强为光强为 的自然光垂直入射于偏振片的自然光垂直入射于偏振片 ，讨论转动，讨论转动 透过透过 的光强的光强 与转角的关系与转角的关系 .讨论讨论若若 在在 间变化，间变化， 如何变化如何变化？6 讨论讨论 如图的装置如图的装置 为偏振片，为偏振片，问下列四种情况，屏上有无干涉条纹？问下列四种情况，屏上有无干涉条纹？1）去掉）去掉 保留保留 2）去掉）去掉 保留保留 3）去掉）去掉 保留保留 4） 都保留都保留 .无（两振动互相垂直）无（两振动互相垂直）无（两振动互相垂直）无（两振动互相垂直
5、）无（无恒定相位差）无（无恒定相位差）有有7三三 反射折射起偏反射折射起偏 布鲁斯特定律布鲁斯特定律布儒斯特定律布儒斯特定律 入射角满足入射角满足 时时反射光是线偏振光，振动垂直入射面反射光是线偏振光，振动垂直入射面 布儒斯特角布儒斯特角起偏角起偏角由折射定律由折射定律自然光沿折射线由自然光沿折射线由n2射入射入 n1，如何？，如何？用玻璃片堆起偏用玻璃片堆起偏 8讨论讨论讨论下列光线的反射和折射（讨论下列光线的反射和折射（起偏角起偏角 ）.9四、四、双折射现象双折射现象1.双折射晶体双折射晶体入射光入射光O光光e光光O光光服从折射定律，寻常光，服从折射定律，寻常光，e 光光不服从折射定律，非
6、常光，不服从折射定律，非常光，二者均为线偏振光二者均为线偏振光方解石晶体方解石晶体（CaCO3）e光折射线不一定在入射面内光折射线不一定在入射面内 10光轴光轴晶体内的一个特殊方向，晶体内的一个特殊方向，在此方向上不发生双折射在此方向上不发生双折射光轴在晶体内光轴在晶体内光轴是一个方向光轴是一个方向分类：分类：双轴晶体双轴晶体单轴晶体单轴晶体方解石（冰洲石）方解石（冰洲石）石英石英红宝石红宝石云母云母蓝宝石蓝宝石硫磺硫磺方解石晶体方解石晶体光轴方向光轴方向磨光，可得到与光轴垂直的表面磨光，可得到与光轴垂直的表面AB11主截面主截面 光轴与晶体表面的法线构成的平面光轴与晶体表面的法线构成的平面主
7、平面主平面晶体中光线与光轴方向构成的平面晶体中光线与光轴方向构成的平面振动方向垂直振动方向垂直O光主平面光主平面振动方向平行振动方向平行e 光主平面光主平面一组相互平行的平面一组相互平行的平面振动方向垂直振动方向垂直光轴光轴O光光e光光服从折射定律服从折射定律线偏振光线偏振光不服从折射定律不服从折射定律线偏振光线偏振光振动方向与振动方向与光轴夹角光轴夹角与传播有关与传播有关光轴光轴方解石方解石e光光O光光O光光主平面与主平面与e光主光主平面平面并不一定重合并不一定重合 当当入入射射面面与与某某个个主主截截面面重重合合时时，O光光主主平平面面、e 光光主主平平面面都都在在主主截截面面内内，O光光
8、和和e光振动方向严格垂直光振动方向严格垂直122.惠更斯原理对双折射的描述惠更斯原理对双折射的描述光的传播速度取决于光光的传播速度取决于光矢量振动方向与晶体光轴的夹角矢量振动方向与晶体光轴的夹角o光：光： no ，ne 称为称为晶体的主折射率晶体的主折射率 正晶体：正晶体：ne no负晶体：负晶体：ne novo tve t光轴光轴 点波源点波源点波源点波源vo tve t光轴光轴 e光：光：(ve vo)如：石英、冰如：石英、冰如：方解石、红宝石如：方解石、红宝石vo t光轴光轴光轴光轴ve tvo t13惠更斯作图法惠更斯作图法( (负晶体为例负晶体为例) ) 光轴光轴 界面，自然光正入射
9、界面，自然光正入射 光轴光轴自然光自然光O光光e光光e 光的速度等于光的速度等于O光速度光速度光轴光轴 界面，自然光正入射界面，自然光正入射光轴光轴自然光自然光O光光e光光e 光的速度大于光的速度大于O 光速度光速度光轴光轴 界面，自然光界面，自然光斜入射斜入射光轴光轴O光光e光光光轴光轴与界面斜交，自然光与界面斜交，自然光斜入射斜入射波射线波射线 波法线波法线 143.晶体偏振器件晶体偏振器件自然光自然光尼克耳棱镜尼克耳棱镜玻璃玻璃 n=1.655方解石方解石光轴光轴格兰格兰汤姆孙棱镜汤姆孙棱镜 e 光光O 光光光轴光轴15沃拉斯顿棱镜沃拉斯顿棱镜 两个由方解石制成的两个由方解石制成的直角棱
10、镜胶合而成直角棱镜胶合而成五、五、晶体波片晶体波片晶体薄片，光轴平行于晶体薄片，光轴平行于薄片薄片表面表面光轴光轴方向方向自然光自然光o光光e光光负晶体负晶体光线正入射光线正入射两束光出现固定的相位差两束光出现固定的相位差振动合成振动合成线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏椭圆偏振光振光线偏振光线偏振光光轴光轴光轴光轴光轴光轴16线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光光轴平行椭圆的长轴或短轴光轴平行椭圆的长轴或短轴光轴光轴光轴光轴线偏振光的振动面转过线偏振光的振动面转过2 角角线偏振光线偏振光光轴光
11、轴17光偏振状态的检验光偏振状态的检验第一步：用偏振片第一步：用偏振片线偏振光，自然光，圆偏振光，部分偏振光，椭圆偏振光线偏振光，自然光，圆偏振光，部分偏振光，椭圆偏振光偏偏振振片片( (转转动动) )线偏振光线偏振光 I 变、有消光变、有消光圆偏振光圆偏振光自然光自然光I 不变不变部分偏振光部分偏振光 I 变、无消光变、无消光椭圆偏振光椭圆偏振光第二步：第二步：再用再用1/4波片波片 + 偏振片偏振片 四四分分之之一一波波片片偏偏振振片片( (转转动动) )自然光自然光圆偏振光圆偏振光自然光自然光I 不变不变线偏振光线偏振光有消光有消光椭圆偏振光椭圆偏振光线偏振光线偏振光*有消光有消光部分偏
12、振光部分偏振光部分偏振光部分偏振光I 变变 无消光无消光18第一步第一步第二步第二步令入射光通过偏振片令入射光通过偏振片I ，改变改变 I 的偏振方向，观察的偏振方向，观察透射光强变化。透射光强变化。观察现象观察现象观察现象观察现象结论结论结论结论有消光有消光线偏振光线偏振光有消光有消光圆偏振光圆偏振光无消光无消光自然光自然光强度无变化强度无变化自然光或圆偏振光自然光或圆偏振光a. 令入射光依次通过令入射光依次通过四分之一四分之一 波片和偏振波片和偏振片片II，改变，改变 II的透振方的透振方向向P2，观察透光强度变，观察透光强度变化化。有消光有消光无消光无消光椭圆偏振光椭圆偏振光 部分偏振光
13、部分偏振光强度有变化，但无消光强度有变化，但无消光部分偏振光或椭圆偏振光部分偏振光或椭圆偏振光b. 四分之一波片的光四分之一波片的光轴方向必须与光强度轴方向必须与光强度最大的方向相一致。最大的方向相一致。19例：用自然光源以及起偏器和检偏器各一件，如何鉴别下列三例：用自然光源以及起偏器和检偏器各一件，如何鉴别下列三种透明片：偏振片，半波片和种透明片：偏振片，半波片和 1/4 波片。波片。Nx（1） （1） 先鉴别出偏振片：如图（先鉴别出偏振片：如图（1）放置。）放置。 绕轴旋转绕轴旋转N，若转到某一角度无光透出，若转到某一角度无光透出， 则则 X 为偏振片。为偏振片。 （2） 在余下两片中鉴别
14、出在余下两片中鉴别出1 / 2 波片波片如图放置。自然光经起偏器如图放置。自然光经起偏器 M后后成为线偏振光。设该线偏振光的成为线偏振光。设该线偏振光的振动方向与波片振动方向与波片 X的光轴夹角为的光轴夹角为，半波片使入射线偏振光变为振动方半波片使入射线偏振光变为振动方向转过向转过2的出射线偏振光。的出射线偏振光。 因此，当因此，当 X绕轴转到不同位置时，皆在绕轴转动到某一位绕轴转到不同位置时，皆在绕轴转动到某一位置时，无光从置时，无光从N透出，则透出，则 X为半波片。为半波片。 解：解： M, N 为已知的起偏器和检偏器，为已知的起偏器和检偏器，x为待检片。为待检片。 另一个为另一个为 1/
15、4 波片。波片。MXNp1eo20六、六、偏振光的干涉偏振光的干涉1.1.典型装置典型装置甲区：甲区：线偏振光，线偏振光， 振幅振幅A1，光强光强乙区：乙区：光轴光轴方向方向o光光e光光线偏振光线偏振光 单色单色自然光自然光I0光轴光轴甲区甲区丙区丙区乙区乙区两束线偏振光两束线偏振光 一束椭圆偏振光一束椭圆偏振光 丙区：丙区：与晶体种类、波长、波片厚度有关与晶体种类、波长、波片厚度有关21 单色单色自然光自然光I0光轴光轴甲区甲区丙区丙区乙区乙区若若P1与与P2平行平行无附加相位差无附加相位差若晶体种类、波长确定若晶体种类、波长确定 “等厚干涉等厚干涉”2.2.色偏振色偏振若白光入射：若白光入
16、射：有的波长干涉相消，有的波长干涉相消，有的波长干涉相长，屏上呈现出一有的波长干涉相长，屏上呈现出一定的色彩，这种现象叫色偏振定的色彩，这种现象叫色偏振检验材料有无双折射效应检验材料有无双折射效应分析物质内部的某些结构分析物质内部的某些结构偏光显微术偏光显微术22例：一块厚例：一块厚0.025mm的方解石晶片，表面与光轴平行并放置在两的方解石晶片，表面与光轴平行并放置在两 个正交偏振片之间，晶片的光轴与两偏振片的偏振化方向均个正交偏振片之间，晶片的光轴与两偏振片的偏振化方向均 成成450角。用白光垂直入射到第一块偏振片上角。用白光垂直入射到第一块偏振片上, 从第二块偏振从第二块偏振 片出射的光
17、线中，缺少了那些波长的光。片出射的光线中，缺少了那些波长的光。(假定假定 为常数）为常数）解：解：光轴光轴相干相消相干相消缺少的波长缺少的波长若两偏振片平行呢？若两偏振片平行呢？23本章重点：本章重点：马吕斯定律和布儒斯特定律的应用马吕斯定律和布儒斯特定律的应用 晶体双折射晶体双折射主要涉及的问题主要涉及的问题(1) 马吕斯定律和布儒斯特定律的应用马吕斯定律和布儒斯特定律的应用(2) 获得偏振光的方法获得偏振光的方法(3) 偏振光的检验偏振光的检验(4) 惠更斯作图法惠更斯作图法24例：一束光是自然光与线偏振光的混合，当它通过一偏振片时，例：一束光是自然光与线偏振光的混合，当它通过一偏振片时，
18、 透射光的强度取决于偏振片的取向，可以变化透射光的强度取决于偏振片的取向，可以变化5倍。求入射倍。求入射 光中两种光的强度各占总入射光强度的比例。光中两种光的强度各占总入射光强度的比例。 解：解：线偏振光线偏振光自然光自然光25例、例、如图所示。已知如图所示。已知n水水=1. 333, n介质介质=1.681，若使，若使水面和介质水面和介质板表面的反射光均为线偏振光板表面的反射光均为线偏振光。试求：试求： 应取多大？应取多大？A i2BOi1 空气空气水水介质板介质板解：解：解：解：只有只有i1和和 i2都是布儒斯特角，都是布儒斯特角， 才可使反射光均为线偏光。才可使反射光均为线偏光。tan
19、i1= n水水 / n空气空气 = 1. 33 tan i2= n介质介质 / n水水 = 1.681 / 1. 33 在三角形在三角形ABO中：中：即：即：26例例：单单色色光光源源S位位于于凸凸透透镜镜C的的焦焦点点上上，P为为偏偏振振片片，L为为四四分分之之一一波波片片，其其光光轴轴与与P的的偏偏振振化化方方向向成成a a角角，MM为为反反射射镜镜。若若入入射射到到偏偏振振片片的的光光强强为为I0, 求求经过各光学元件后，光返回到透镜时的强度经过各光学元件后，光返回到透镜时的强度I。( (不计吸收、散射等损耗不计吸收、散射等损耗) )光轴光轴解：解：线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭
20、圆偏振光椭圆偏振光线偏振光线偏振光光轴光轴半波损失半波损失27 19.7 人工双折射人工双折射人为地造成各向异性，而产生双折射。人为地造成各向异性，而产生双折射。一一. 光弹效应光弹效应（photoelastic effect）应力应力各向异性各向异性在一定应力范围内：在一定应力范围内：光弹效应也叫光弹效应也叫应力双折射效应。应力双折射效应。 v 各向不同各向不同 n各向不同各向不同FFP1P2 dS干涉干涉有机玻璃有机玻璃C28各处各处 不同不同各处各处 不同不同出现干涉条纹，出现干涉条纹，演示演示模模型型的的光光弹弹图图象象吊吊钩钩的的光光弹弹图图象象 变变 变变干涉情况变。干涉情况变。（
21、KG032）应力双折射应力双折射29二二. 电光效应电光效应（electro optic effect）电光效应电光效应也叫也叫电致双折射效应。电致双折射效应。1.克尔效应克尔效应 （kerr effect） （1875年）年）45 P2盒内充某种液体，如硝基苯（盒内充某种液体，如硝基苯（C6H5NO2）l+-克尔盒克尔盒dP145 不加电场不加电场液体各向同性液体各向同性P2不透光；不透光； 加电场加电场液体呈单轴晶体性质，液体呈单轴晶体性质，光轴平行电场强度光轴平行电场强度 P2透光。透光。30 二次电光效应二次电光效应k 克尔常数，克尔常数，U 电压电压克尔效应引起的相位差为：克尔效应引
22、起的相位差为：则产生则产生硝基苯硝基苯，若若 l = 3cm，d = 0.8cm，对对 = 600nm的黄光，的黄光，时，时， 克尔盒相当半波片，克尔盒相当半波片， P2透光最强透光最强 。时的电压时的电压 k= 31可作为可作为光开关光开关（响应时间（响应时间 10 9s），）， 克尔盒的应用：克尔盒的应用：克尔盒的缺点：克尔盒的缺点：和加数万伏的高电压，和加数万伏的高电压，用于高速摄影、用于高速摄影、激光通讯、激光通讯、光速测距、光速测距、脉冲激光系统（作为脉冲激光系统（作为Q开关）开关）硝基苯有毒，硝基苯有毒，需要极高的纯度需要极高的纯度故现在很少用。故现在很少用。易爆炸，易爆炸，322
23、. 泡克尔斯效应泡克尔斯效应（pockels effect）（1893年）年）。电光晶体电光晶体+。-P1P2KK 泡克尔斯盒泡克尔斯盒光传播方向与电场平行，光传播方向与电场平行，电极电极K和和 K透明，透明，晶体是单轴晶体，晶体是单轴晶体， 不加电场不加电场 P2 不透光。不透光。 加电场加电场晶体变双轴晶体晶体变双轴晶体了双折射效应了双折射效应原光轴方向附加原光轴方向附加 P2 透光。透光。光轴沿光轴沿光传播方向。光传播方向。33no o光在晶体中的折射率；光在晶体中的折射率；泡克尔斯效应引起的相位差：泡克尔斯效应引起的相位差： 线性电光效应线性电光效应r 电光常数；电光常数； 时，时，P
24、2透光最强。透光最强。 KH2PO4（KDP）、）、NH4H2PO4（ADP）等等 对对 = 546nm的绿光，的绿光， 如如KDP no =1.51， U 电压。电压。激光调激光调Q，超高速开关（响应时间小于超高速开关（响应时间小于10 9s），），数据处理数据处理显示技术，显示技术，应用：应用：单晶都具有线性电光效应。单晶都具有线性电光效应。34后空翻动作后空翻动作高速摄影图片：高速摄影图片：击高尔夫球的动作击高尔夫球的动作35牛牛奶奶滴滴向向盘盘中中的的牛牛奶奶36子弹射穿苹果的瞬间子弹射穿苹果的瞬间373839404119.8 旋光现象旋光现象一一. 物质的旋光性物质的旋光性（opti
25、cal activity） 除石英外，氯酸钠、乳酸、松节油、糖的除石英外，氯酸钠、乳酸、松节油、糖的 旋光物质旋光物质 a 旋光率旋光率 l1811年，法国物理学家年，法国物理学家阿喇果阿喇果（Arago）其振动面能发生旋转，其振动面能发生旋转，发现，发现，线偏振光沿光轴方向通过石英晶体时，线偏振光沿光轴方向通过石英晶体时，这称为这称为旋光现象。旋光现象。光轴光轴水溶液等也都具有水溶液等也都具有旋光性。旋光性。演示演示石英晶体的旋光现象石英晶体的旋光现象（KG026）42二二. 菲涅耳对旋光性的解释菲涅耳对旋光性的解释 线偏振光可看作是同频率、等振幅、有确定线偏振光可看作是同频率、等振幅、有确
26、定相位差的左相位差的左(L)、右、右(R)旋圆偏振光的合成。旋圆偏振光的合成。实验表明，旋光率实验表明，旋光率 a 与旋光物质和入射波与旋光物质和入射波长有关，长有关， 对于溶液，还和旋光物质的浓度有关。对于溶液，还和旋光物质的浓度有关。石英对石英对 = 589nm的黄光，的黄光，a = 21.75 /mm；而对而对 = 408nm的紫光，的紫光，a = 48.9 /mm 。 同一种物质也可以有同一种物质也可以有左旋体左旋体和和右旋体，右旋体，物质的旋光性是和物质原子排列结构有关的，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，原子排列互为镜像对称，它们的它们的称为称为同分异构
27、体。同分异构体。43 光通过旋光物质后，初相位光通过旋光物质后，初相位EELERO 在出射面上：在出射面上：设入射时设入射时L、R初相为初相为0，旋光物质长为旋光物质长为l，同一时刻同一时刻光通过光通过左旋左旋物质物质显然此物质为左旋体。显然此物质为左旋体。初相初相初相初相要滞后。要滞后。ELERE入射面入射面(a)出射面出射面(b)ELERE R L 44由图示：由图示：令令 旋光率旋光率则则 (a)(b) d出射面出射面(b)ELERE R L ELERE入射面入射面(a) 这既解释了旋光现象，这既解释了旋光现象，与物质（由与物质（由nR和和nL反映）反映）和入射波长有关。和入射波长有关。
28、又说明了旋光率又说明了旋光率a45三三. 量糖术量糖术对旋光溶液有对旋光溶液有C 溶液的浓度，溶液的浓度，“量糖计量糖计”可分析旋光（同分）异构体的成分，可分析旋光（同分）异构体的成分，例如：氯霉例如：氯霉广泛用在化学和制药等工业中。广泛用在化学和制药等工业中。素天然品为左旋体，素天然品为左旋体，称合霉素，其中只左旋有疗效。称合霉素，其中只左旋有疗效。分离出左旋品（左霉素），分离出左旋品（左霉素），疗效同天然品。疗效同天然品。用量糖术可用量糖术可 a C = a 溶液的旋光率，溶液的旋光率， = a C l a 溶液的溶液的比旋光率。比旋光率。合成品为左、右旋各半，合成品为左、右旋各半，46四
29、四. 磁致旋光磁致旋光（magnetic opticity） l磁致旋光物质磁致旋光物质B旋转的角度旋转的角度 V 费德尔常量，费德尔常量，水、二硫化碳、水、二硫化碳、食盐、乙醇等食盐、乙醇等 对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是由对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是由都是磁致旋光都是磁致旋光物质。物质。旋光物质本身决定的，旋光物质本身决定的，与光的传播方向无关。与光的传播方向无关。47反射镜反射镜入射光入射光 左旋左旋反射镜反射镜反射光反射光 左旋左旋自然旋光物质自然旋光物质48反射镜反射镜反射光反射光 右旋右旋 B反射镜反射镜入射光入射光 左旋左旋B 对磁致旋光物质，光沿对磁致旋光物质，光沿 与逆与逆 方向传播，方向传播，磁性旋光物质磁性旋光物质振动面旋向相反。振动面旋向相反。 49光隔离器：光隔离器：这样可以消除反射光的干扰。这样可以消除反射光的干扰。磁致旋光效应的应用：磁致旋光效应的应用： 研究物质结构研究物质结构 测电流和磁场测电流和磁场 磁光调制磁光调制 BPM 磁致旋光物质磁致旋光物质令令 = 45，则则 2 = 90 ， 反射光通不过反射光通不过P50
