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1、第第2424（1010）章）章光光 的的 偏偏 振振Polarization of Light本章主要内容本章主要内容 24-124-124-124-1 光的偏振状态光的偏振状态 24-224-224-224-2 线偏振光的获得与检验线偏振光的获得与检验 24-324-324-324-3 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振* * * *24-424-424-424-4 由散射引起的光由散射引起的光的偏振的偏振 24-524-524-524-5 双折射现象双折射现象* * * *24-624-624-624-6 椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光* * * *24-724-724-7
2、24-7 偏振光的偏振光的干涉干涉* * * *24-24-24-24-8 8 8 8 人工双折射人工双折射* * * *24-924-924-924-9 旋光现象旋光现象第二十四章第二十四章 光的偏振光的偏振所谓所谓偏振偏振偏振偏振是指：是指：光矢量总是与光光矢量总是与光的传播方向垂直的特性。的传播方向垂直的特性。事实上就是电磁波的事实上就是电磁波的横波性横波性光矢量总是处于振动态光矢量总是处于振动态 振动方向振动方向光实质上是电磁波，电磁波都是横波。通常把光波中光实质上是电磁波，电磁波都是横波。通常把光波中的电场强度的电场强度 称为称为光矢量光矢量光矢量光矢量。对确定的传播方向，光矢量可能
3、的对确定的传播方向，光矢量可能的方向并不唯一。方向并不唯一。光矢量光矢量传播方向传播方向 光矢量光矢量振动方向振动方向24-1 24-1 光的偏振状态光的偏振状态光的偏振状态光的偏振状态Polarization States of Light偏振态偏振态偏振态偏振态光矢量的振动状态。（振动方向及其角分布）光矢量的振动状态。（振动方向及其角分布） 非偏振光非偏振光自然光自然光自然光自然光 non-polarized /natural light 光矢量角分布均匀光矢量角分布均匀 在垂直于传播方向的平面上，沿各方向振动光矢量都在垂直于传播方向的平面上，沿各方向振动光矢量都有，分布均匀，具有轴对称性
4、，而且振幅相等、没有固定有，分布均匀，具有轴对称性，而且振幅相等、没有固定的相位关系。的相位关系。非偏振光非偏振光完全偏振光完全偏振光部分偏振光部分偏振光通常光有三类不同的偏振态：通常光有三类不同的偏振态： 各原子发出的波列是随机的各原子发出的波列是随机的( (振动方向、初相、频率振动方向、初相、频率) )，由于我们的观察时间一般比原子每次的发光时间（由于我们的观察时间一般比原子每次的发光时间（10-8）长）长得多。因此在观测时间内，实际接收到的是大量的波列，各得多。因此在观测时间内，实际接收到的是大量的波列，各方向都有，呈轴对称性。方向都有，呈轴对称性。普通光源普通光源发出的光都是非偏振光。
5、发出的光都是非偏振光。光矢量角分布均匀光矢量角分布均匀自然光示意图自然光示意图所有所有光矢量的强度光矢量的强度在任意两个垂直的方向在任意两个垂直的方向上的分量之和相等。即，自然光可用两个垂直上的分量之和相等。即，自然光可用两个垂直的振幅相等的振幅相等 的光振动（无相位的光振动（无相位关系）来表示。关系）来表示。光矢量投影光矢量投影 完全偏振光完全偏振光 线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光 linearly polarized light 光矢量有单光矢量有单一的振动方向一的振动方向线偏振光示意图线偏振光示意图偏振面偏振面 在垂直于传播方向的平面上，光矢在垂直于传播方向的平面上，光矢量量 E E
6、只沿一个固定的方向振动只沿一个固定的方向振动, ,这种这种光叫光叫线偏振光线偏振光. . 椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光和和圆偏振光圆偏振光圆偏振光圆偏振光光矢量均匀转动光矢量均匀转动（以光的频率）（以光的频率）轨迹为轨迹为椭圆椭圆或或圆圆 实际为相差为实际为相差为 /2 /2 两垂两垂直方向线直方向线偏振光的合成偏振光的合成. . .左旋光左旋光左旋光左旋光右旋光右旋光右旋光右旋光分分椭圆偏振光椭圆偏振光: : 光矢量光矢量 E E 在沿着光的在沿着光的传播方向前进的同时传播方向前进的同时, ,还绕着传播方还绕着传播方向均匀转动向均匀转动. .如果光矢量的大小不断如果光矢量的大小不
7、断改变改变( (不变不变), ), 使其端点描绘出一个使其端点描绘出一个椭圆椭圆( (圆圆).). 部分偏振光部分偏振光部分偏振光部分偏振光 partial polarized light 光矢量振动方光矢量振动方向的角分布不均匀向的角分布不均匀部分偏振光示意图部分偏振光示意图光矢量投影光矢量投影自然光经反射或折射后得到的光多为部分自然光经反射或折射后得到的光多为部分偏振光。偏振光。见见24-24-3 3 部分部分偏振光可视偏振光可视为自然光与线偏振光为自然光与线偏振光的叠加。的叠加。= = + +24-2 24-2 线偏振光的获得与检验线偏振光的获得与检验线偏振光的获得与检验线偏振光的获得与
8、检验Obtainment and Testing of a Linearly Polarized Light1.1. 线线偏振偏振光光的获得与的获得与检验检验光矢量能够通过的那个振动方向称为光矢量能够通过的那个振动方向称为通光方向通光方向通光方向通光方向或或偏振化方向偏振化方向偏振化方向偏振化方向。 线线偏振光的获得偏振光的获得自然光通过偏振片可以自然光通过偏振片可以获得获得线偏振光。线偏振光。偏振片用于获得线偏振光时称为偏振片用于获得线偏振光时称为起偏起偏起偏起偏器器器器。 二向色性的有机晶体，如硫酸碘奎宁、电气石或聚乙烯醇薄膜在二向色性的有机晶体，如硫酸碘奎宁、电气石或聚乙烯醇薄膜在碘溶液
9、中浸泡后，在高温下拉伸、烘干，然后粘在两个玻璃片之间就碘溶液中浸泡后，在高温下拉伸、烘干，然后粘在两个玻璃片之间就形成了偏振片。形成了偏振片。自然光自然光I0线偏振光线偏振光I=I0/2自然光自然光I0线偏振光线偏振光I=I0/2线偏振光线偏振光I I 偏振片偏振片偏振片偏振片能够吸收一个方向的光矢量而让另一个与其垂直能够吸收一个方向的光矢量而让另一个与其垂直 的光矢量通过，从而获得线偏振光的器件。的光矢量通过，从而获得线偏振光的器件。偏振片用于检验偏振状态时称为偏振片用于检验偏振状态时称为检偏器检偏器检偏器检偏器。 线线偏振光的检验偏振光的检验转动用于检验的偏振片观察透射光。当其转动用于检验
10、的偏振片观察透射光。当其偏振化方向偏振化方向偏振化方向偏振化方向与与入射的线偏振光振动方向垂直时，透射光强为零，即出现入射的线偏振光振动方向垂直时，透射光强为零，即出现消消消消光光光光现象。如果有消光，则表明入射光为线偏振光；否则，不现象。如果有消光，则表明入射光为线偏振光；否则，不是线偏振光。是线偏振光。 如果入射检偏器的光是如果入射检偏器的光是自然光或者自然光或者部分偏振光，部分偏振光，转动转动检偏器一周，检偏器一周，透射光透射光又又如何？如何？P P2 2 旋转一周旋转一周, ,光强光强出现两次最强出现两次最强, ,两两次消光次消光. .2.2. 马吕斯马吕斯定律定律入射的线偏振光振动方
11、向与检偏器入射的线偏振光振动方向与检偏器 P2 的通光方向成任意的通光方向成任意角角 时，出射光的强度为多大？时，出射光的强度为多大？设入射设入射线线线线偏振光偏振光(I0)光矢量的振幅光矢量的振幅为为 A A0 0，通过，通过 P2 的光矢量振幅为的光矢量振幅为 A。因。因检偏器只允许检偏器只允许P2 方向的光矢量振动分方向的光矢量振动分量通过，故有量通过，故有MalusMalus定律定律定律定律1809年实验年实验相应的光强关系为相应的光强关系为 例例 光强为光强为 I0 的自然光通过通光方向相互垂直的两块偏振片。现将的自然光通过通光方向相互垂直的两块偏振片。现将第三块偏振片插入此两偏振片
12、之间，并令其通光方向与第一块偏振片的通第三块偏振片插入此两偏振片之间，并令其通光方向与第一块偏振片的通光方向成光方向成 角，求透过第角，求透过第二二块偏振片块偏振片P2的光强。的光强。解：透过第一块偏振片的光强为解：透过第一块偏振片的光强为透过第透过第三三块偏振片的光强为块偏振片的光强为透过第二块偏振片的光强为透过第二块偏振片的光强为P1 P3 P2自然光可以用两个相互垂自然光可以用两个相互垂直的振幅相等的光振动直的振幅相等的光振动( (线线偏振光偏振光) )来表示来表示. .24-3 24-3 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振Polarizat
13、ion of Light in Reflection and Refraction实验表明：当自然光在两种各向同性的介质分界面上反实验表明：当自然光在两种各向同性的介质分界面上反射和折射时，反射光和折射光的偏振态将发生变化：射和折射时，反射光和折射光的偏振态将发生变化：一般情况下，反射光和折射光都是部分偏振光一般情况下，反射光和折射光都是部分偏振光。（湖光）。（湖光）当当 为特定角为特定角 时，反射光为线偏振光，且光矢量垂直时，反射光为线偏振光，且光矢量垂直于入射面于入射面（折射光仍为部分偏振光）（折射光仍为部分偏振光），该特定角满足，该特定角满足BrewsterBrewster（起偏（起偏（
14、起偏（起偏) ) ) )角角角角1812年实验中得到，称为年实验中得到，称为BrewsterBrewster定律定律定律定律。 的等价条件为：的等价条件为：反射光线垂直于折射反射光线垂直于折射反射光线垂直于折射反射光线垂直于折射光线光线光线光线，即，即 。光的电磁理论建立后光的电磁理论建立后，Brewster 定律可以从该理论推定律可以从该理论推 导出来：设垂直于入射面的光矢量称为导出来：设垂直于入射面的光矢量称为 s 光；平行于入射面光；平行于入射面的光矢量称为的光矢量称为 p 光。理论上导出光。理论上导出 s 光和光和 p 光的能量光的能量反射率反射率反射率反射率分分别为别为当当 时，时，
15、 ，即反射光的，即反射光的 p 光强度光强度为零，反射光只有为零，反射光只有 s 光，为光，为线偏振光线偏振光。折射光中也包含。折射光中也包含 s 光（光（因因 Rs 1），故折射光为），故折射光为部分偏振光部分偏振光。（空气）（空气）（玻璃）（玻璃） 由一块玻璃片得到的由一块玻璃片得到的线偏振光是很微弱的，为了线偏振光是很微弱的，为了获得足够强的线偏振光，应获得足够强的线偏振光，应用用玻璃片堆玻璃片堆。玻璃片堆玻璃片堆 反射光和折射光的偏振性的应用：反射光和折射光的偏振性的应用： 海面上的强烈反射光是部分偏振光（垂直入射面的振海面上的强烈反射光是部分偏振光（垂直入射面的振动较强）或者线偏振光
16、（振动方向垂直于入射面），这使得动较强）或者线偏振光（振动方向垂直于入射面），这使得照相机所拍摄的景物不清楚，在镜头上加一个偏光镜（偏振照相机所拍摄的景物不清楚，在镜头上加一个偏光镜（偏振片）来消除它。片）来消除它。（C C）用偏光镜消除用偏光镜消除反射偏振光，反射偏振光，使玻璃门内的使玻璃门内的人物清晰可见人物清晰可见（A A）玻璃门表面的玻璃门表面的反光很强反光很强（B B）用偏光镜减弱用偏光镜减弱反射偏振光反射偏振光例例1：一束自然光从空气射向一块平板玻璃，设入射角等于布：一束自然光从空气射向一块平板玻璃，设入射角等于布儒斯特角，则在界面儒斯特角，则在界面2的反射光为（的反射光为（ ）A
17、)自然光自然光B) 线偏振光且光矢量的振动方向垂直于入射面线偏振光且光矢量的振动方向垂直于入射面C)线偏振光且光矢量的振动方向平行于入射面线偏振光且光矢量的振动方向平行于入射面D) 部分偏振光部分偏振光24-5 24-5 双折射现象双折射现象双折射现象双折射现象Birefringence Phenomena双折射的两条光线：双折射的两条光线：一条服从折射定律，称为一条服从折射定律，称为寻常光寻常光寻常光寻常光或或o o光光光光；另一条不服从，称为另一条不服从，称为非常光非常光非常光非常光或或e e光光光光。 双折射现象双折射现象 寻常光与非常寻常光与非常光光ordinary light, ex
18、traordinary light一般透明介质（晶体或非晶体）中的光速是一般透明介质（晶体或非晶体）中的光速是各向同性各向同性的的，光在这类介质的分界面上发生的折射服从折射定律：光在这类介质的分界面上发生的折射服从折射定律：然而，有许多晶体（如方解石、石英、云母、电气石、然而，有许多晶体（如方解石、石英、云母、电气石、冰等）中的光速具冰等）中的光速具各向异性各向异性。当自然光从空气入射到这类晶。当自然光从空气入射到这类晶体的表面时，会产生两条折射光线。体的表面时，会产生两条折射光线。 这种现象称为这种现象称为双折射现象双折射现象双折射现象双折射现象。eo查看查看令方解石晶体绕光的入射方向旋转令
19、方解石晶体绕光的入射方向旋转光光光光双双折折射射纸面纸面纸面纸面光光光光双双折折射射纸面纸面纸面纸面光光光光双双折折射射纸面纸面纸面纸面光光 光光双双折折射射纸面纸面纸面纸面返回返回eo eo实验进一步表明，实验进一步表明，o光和光和e光都是线偏振光，振动方向彼光都是线偏振光，振动方向彼此垂直，且随晶体转动而改变。此垂直，且随晶体转动而改变。o光和光和e光的振动方向由晶体特性决定。光的振动方向由晶体特性决定。寻常光寻常光寻常光寻常光：在晶体中各个方向都具有相同的折射率：在晶体中各个方向都具有相同的折射率 （亦即沿各个方向的传播速度相同），（亦即沿各个方向的传播速度相同）， 且在入射面内传播。且
20、在入射面内传播。 非常光非常光非常光非常光：在晶体中各个方向的折射率：在晶体中各个方向的折射率 不同（亦即波速不不同（亦即波速不 同），并且不一同），并且不一 定在入射面内传播。定在入射面内传播。eo以以方解石方解石方解石方解石（CaCO3）为例：）为例： 双折射晶体的各向异性特征双折射晶体的各向异性特征光轴光轴光轴光轴光轴光轴晶体中的特殊晶体中的特殊方向，当光线沿此方向传播方向，当光线沿此方向传播时，寻常光和非常光的传播时，寻常光和非常光的传播速度相同，折射率相同，不速度相同，折射率相同，不发生双折射。发生双折射。单轴晶体单轴晶体单轴晶体单轴晶体和和双轴晶体双轴晶体双轴晶体双轴晶体注：光轴代
21、表的是某个方向，不是某一条直线。注：光轴代表的是某个方向，不是某一条直线。正晶体正晶体 负晶体负晶体vo o光的光速。光的光速。（各向同性（各向同性）ve e光在垂直于光轴方向光在垂直于光轴方向上的光速。上的光速。（极大值或极小值）极大值或极小值）正晶体正晶体正晶体正晶体：负晶体负晶体负晶体负晶体：石英，冰石英，冰方解石，电气石方解石，电气石 在各向异性的介质中，在各向异性的介质中，寻常光寻常光沿各方向沿各方向的传播速度相同的传播速度相同，而而非常光非常光沿各方向的速度不同。沿各方向的速度不同。 假想在晶体内有一子波波源假想在晶体内有一子波波源O, ,从子波波源发出两组子波。从子波波源发出两组
22、子波。o光光的波阵面是球面，的波阵面是球面， e光的是旋转椭球面。光的是旋转椭球面。 正晶体正晶体正晶体正晶体与负与负与负与负晶体晶体晶体晶体o光的折射率为光的折射率为 ；与与ve相对应的相对应的 e光的折射率为光的折射率为 。 称为称为主折射率主折射率主折射率主折射率。 寻常光和非常光的偏振态寻常光和非常光的偏振态主平面主平面主平面主平面晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。主平面主平面 入射面入射面光轴与光轴与 o o 光的传播方向构成的平面叫光的传播方向构成的平面叫 o o 光主平面。光主平面。光轴与光轴与 e e 光光的传播方向的传播方向构成的
23、平面叫构成的平面叫 e e 光主平面。光主平面。e光光光轴光轴e 光的光的主平面主平面o光光光轴光轴o 光的光的主平面主平面光轴在入射面时光轴在入射面时,o 光主平面和光主平面和e 光主平面重合光主平面重合,此时此时o 光振动和光振动和e 光振动相互垂直。一般情况下，两个主平面夹角很小，故可认为光振动相互垂直。一般情况下，两个主平面夹角很小，故可认为o 光振动和光振动和e 光振动仍然相互垂直。光振动仍然相互垂直。(o光振动垂直光振动垂直o 光主平面光主平面)(e 光振动在光振动在e 光主平面内光主平面内)利用利用Huygens作图法作图法可以给出折射光的传播方向和偏振态：可以给出折射光的传播方向和偏振态：光轴光轴光轴光轴光光轴轴光轴光轴光光轴轴玻璃玻璃粘合剂粘合剂方解石方解石 Glan-Thompson棱镜棱镜 晶体的二向色性晶体的二向色性自然光自然光非常光非常光吸吸收收寻寻常常光光 一些晶体如电气石，吸收一些晶体如电气石，吸收寻常光线的性能特别强，这种寻常光线的性能特别强，这种选择吸收的性能，称为选择吸收的性能，称为二向色二向色二向色二向色性性性性。从普通光源获得线偏振光的从普通光源获得线偏振光的四种途径四种途径四种途径四种途径？玻璃玻璃方解石方解石粘合剂粘合剂 偏振棱镜偏振棱镜本本章结束章结束The End of This Chapter
