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1、第第15章章 光的偏振光的偏振115-1 偏振态和偏振光偏振态和偏振光 自然光自然光 光的偏振性光的偏振性 Polarization 光是电磁波在人眼视觉范围内的波段光是电磁波在人眼视觉范围内的波段400nm 700nm。对应对应红、橙、黄、绿、青、蓝、紫光。红、橙、黄、绿、青、蓝、紫光。 电磁波是横波电磁波是横波 研究光的振动方向的特性即光的偏振性。研究光的振动方向的特性即光的偏振性。 光的生理作用、感光现象，实际是电矢量在起作用光的生理作用、感光现象，实际是电矢量在起作用 即是电场强度即是电场强度 矢量。矢量。 第第15章章 光的偏振光的偏振E播播传传方方向向振振动动面面21. 光偏振态的
2、分类光偏振态的分类1.)自然光自然光 可分解为两个方向任意互相垂直、可分解为两个方向任意互相垂直、 振幅相等，没有任意相位关系的偏振光。振幅相等，没有任意相位关系的偏振光。 2.) 完全偏振光完全偏振光XY 线偏振光线偏振光XY 迎光矢量图迎光矢量图没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解3 线偏振光线偏振光E播播传传方方向向振振动动面面面对光的传播方向看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线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解EEyEx yx 右旋圆右旋圆偏振光偏振光右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光3)3)圆偏振光圆偏振光,椭圆偏振光椭圆偏振光( (p227)是同频率、有恒定
3、相差是同频率、有恒定相差及相互垂直的相干光。及相互垂直的相干光。4部分偏振光部分偏振光部分偏振光的分解部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光部部分分偏偏振振光光可可分分解解为为两两束束振振动动方方向向相相互互垂垂直直的的、不等幅的、不相干的线偏振光。不等幅的、不相干的线偏振光。部分偏振光的表示法：部分偏振光的表示法： 平行板面的光振动较强平行板面的光振动较强垂直板面的光振动较强垂直板面的光振动较强2) 部分偏振光：自然光加线偏振光、自然光加椭部分偏振光：自然光加线偏振光、自然光加椭 圆偏振光、自然光加圆偏振光，都是部分偏振光。圆偏振光、自然光加圆偏振光，都是部分偏振光。515-2 偏振片偏振片
4、马吕斯定律马吕斯定律1.偏振片偏振片 起偏和检偏起偏和检偏二向色性的有机晶体，如硫酸碘奎宁、电气石或聚乙烯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中浸泡后，在高温下拉伸、烘干，然后醇薄膜在碘溶液中浸泡后，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。它有一个特定的粘在两个玻璃片之间就形成了偏振片。它有一个特定的方向，只让平行与该方向的振动通过。方向，只让平行与该方向的振动通过。 起偏起偏起偏起偏检偏检偏62 马吕斯定律马吕斯定律一束光强为一束光强为 的线偏光，透过检偏器以后，透射光强为：的线偏光，透过检偏器以后，透射光强为：为线偏光的光振动方向为线偏光的光振动
5、方向OM与检偏器透振方向与检偏器透振方向ON间的夹角。间的夹角。 一束光强为一束光强为 的自然光透过检偏器，透射光强为：的自然光透过检偏器，透射光强为：7例例1.若若要要使使振振幅幅为为A0振振动动方方向向如如图图的的线线偏偏振振光光的的光光振振动动方方向向旋旋转转90 ，最最少少需需要要几几块块偏偏振振片片？这这些些偏偏振振片片怎怎样样放放置置才才能能使使透透射光的光强最大。射光的光强最大。 0A1P2Pb b至少需要两块偏振片至少需要两块偏振片P1和和P2如图放置才能使线偏振光的如图放置才能使线偏振光的光振动方向旋转光振动方向旋转90 ，解：解：8 每旋转偏振片每旋转偏振片P一周，输出光强
6、有一周，输出光强有“四明四零四明四零”。 t=00,900,1800,2700时，时，输出光强为零。输出光强为零。 t=450,1350,2250,3150时，时，输出光强为输出光强为 。例题例题2. 光强的调制光强的调制。在偏振方向正交的起偏器在偏振方向正交的起偏器M和检偏和检偏 器器 N 之间，插入一片以角速度之间，插入一片以角速度 旋转的理想偏振片旋转的理想偏振片P， 入射自然光强为入射自然光强为 ，试求由系统出射的光强是多少？试求由系统出射的光强是多少？解解:9 15-3 反射和折射时的偏振光反射和折射时的偏振光反射光成为振反射光成为振动方向垂直于动方向垂直于入射面的完全入射面的完全偏
7、振光。偏振光。光从折射率为光从折射率为 n1 的的介质射向折射率为介质射向折射率为 n2 的介质，的介质，当入射角当入射角 等于某一定值等于某一定值 满足：满足：10理论实验表明：反射所获得的线偏光仅占入射自然光总能量的理论实验表明：反射所获得的线偏光仅占入射自然光总能量的7.4%，而约占，而约占85%的垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中。的垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中。在玻璃片下表面处的反射，其入射角在玻璃片下表面处的反射，其入射角33.70也正是光从玻璃射向也正是光从玻璃射向空气的起偏振角，所以反射光仍是垂直于入射面振动的偏振光。空气的起偏振角，所以反射光仍是垂直于入射面振动的偏
8、振光。为了增加折射光的偏振化程度，可采用玻璃片堆的办法。一束为了增加折射光的偏振化程度，可采用玻璃片堆的办法。一束自然光以起偏角自然光以起偏角56.30入射到入射到20层平板玻璃上，如图：层平板玻璃上，如图： 1.51.51.51.01.01.01.011 例例 画出下列图中的反射光和折射光。画出下列图中的反射光和折射光。例图例图n1n2(a)in1n2(b)i0ion1n2(d)i0n1n2(c)i12 例题填空：例题填空： (1)平行光以平行光以60o的入射角由空气射向一平板玻璃，的入射角由空气射向一平板玻璃， 发现反发现反射光是完全偏振光射光是完全偏振光,则折射光的折射角为则折射光的折射
9、角为 。玻璃的折射率为玻璃的折射率为 。 (2) 某透明媒质对空气全反射的临介角为某透明媒质对空气全反射的临介角为45o , 则光则光从空气射向该媒质时的从空气射向该媒质时的布儒斯特角布儒斯特角为为 。解解 因因 io+r =90o，所以折射角所以折射角 r =30o。又又30o所以所以io =tg-154.7o13 设该材料的折射率为设该材料的折射率为 n ，空气的折射率为空气的折射率为1 放在水中，则对应有放在水中，则对应有所以：所以：该材料对水的相对折射率为该材料对水的相对折射率为1.2例例4 : 已知某材料在空气中的布儒斯特角已知某材料在空气中的布儒斯特角 ， 求它的折射率？若将它放在
10、水中（水的折射率为求它的折射率？若将它放在水中（水的折射率为 1.33），求），求布儒斯特角？该材料对水的相对折射率是多少？布儒斯特角？该材料对水的相对折射率是多少？解解：1415-415-4双折射与光的偏振双折射与光的偏振1.1.晶体双折射现象晶体双折射现象2.2.寻常光寻常光( (o光光) )和非常光（和非常光（e光）光）o光光:遵从折射定律遵从折射定律e光光:一般不遵从折射定律一般不遵从折射定律e光折射线也不一定在入射面内。光折射线也不一定在入射面内。n1n2irore(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光o光光e光光 方解石方解石oee o 15 光的双折射现象光的双折射现象SS方解
11、石晶体实验一实验二在各向同性的介质中S是点物S 的象天然的方解石晶体是双折射晶体天然的方解石晶体是双折射晶体AB162 2 晶体的光轴和主平面晶体的光轴和主平面当当光光在在晶晶体体内内沿沿某某个个特特殊殊方方向向传传播播时时不不发发生生双双折折射射，该方向称为晶体的该方向称为晶体的光轴。光轴。例如，方解石晶体例如，方解石晶体( (冰洲石冰洲石) )AB光轴光轴102 光光轴轴是是一一特特殊殊的的方方向向, ,凡凡平平行行于此方向的直线均为光轴。于此方向的直线均为光轴。单轴晶体：单轴晶体：只有一个光轴的晶体只有一个光轴的晶体双轴晶体：双轴晶体：有两个光轴的晶体有两个光轴的晶体与每两棱成与每两棱成
12、1020的顶的顶点作点作3棱的等分角线棱的等分角线即为光轴方向。即为光轴方向。171.)1.)主平面和主截面主平面和主截面主平面：主平面：晶体中光的传播方向与晶体晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。光轴构成的平面。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主截面：主截面：晶体表面的法线与晶体光晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面。轴构成的平面。18若若沿光轴方向入射，沿光轴方向入射，o光和光和e光具有相同光具有相同的折射率和相同的的折射率和相同的波速，因而无双折波速，因而无双折射现象。射现象。 寻常光（寻常光（O光）和非常光（光）和非常光（e光）光） 寻常光寻常
13、光：对于晶体一切方向都具有相同的折射率（即波速：对于晶体一切方向都具有相同的折射率（即波速 相同），且在入射面内传播，简称它为相同），且在入射面内传播，简称它为O光。光。 非常光非常光：它的折射率（即波速）随方向而变化，并且不一：它的折射率（即波速）随方向而变化，并且不一 定在入射面内传播，简称为定在入射面内传播，简称为 e 光。光。 O光振动方向垂直于该光线（在晶体中）与光轴组成的主平面。光振动方向垂直于该光线（在晶体中）与光轴组成的主平面。 e 光振动方向平行于该光线（在晶体中）与光轴组成的主平面。光振动方向平行于该光线（在晶体中）与光轴组成的主平面。若光轴在入射面内，若光轴在入射面内，实
14、验发现：实验发现：o光、光、 e光光均在入射面内传播，均在入射面内传播，且振动方向相互垂直且振动方向相互垂直。19vo t光轴光轴光轴光轴ve tvo to光光: :e光光: : n0 ，ne称为称为晶体的主折射率晶体的主折射率vo tve t光轴光轴 子波源子波源ve t子波源子波源vo t光轴光轴 正晶体正晶体:ne no( ( e o)负晶体负晶体:ne o).关于双折射的解释关于双折射的解释20 用惠更斯原理解释光的双折射现象用惠更斯原理解释光的双折射现象惠更斯原理：惠更斯原理：o光光在晶体内任意点所引起的波阵面是球面。在晶体内任意点所引起的波阵面是球面。即具有各向同性的传播速率。即具
15、有各向同性的传播速率。e 光在晶体内任意点所引起的波阵面是以光轴为轴光在晶体内任意点所引起的波阵面是以光轴为轴的旋转椭球面。沿光轴方向与的旋转椭球面。沿光轴方向与O光光具有相同的速率。具有相同的速率。负晶如方解石负晶如方解石CaCO3正晶如石英正晶如石英SiO2e 光波面O光波面光轴方向光轴方向e 光波面O光波面光轴方向光轴方向 e o e no凡属凡属 ，即，即 晶体称为负晶。晶体称为负晶。ne o e o)23双折射现象的应用双折射现象的应用: 15.4.5 尼科耳棱镜尼科耳棱镜 2 45 尼科耳棱镜尼科耳棱镜光轴在光轴在ACNM平面内方向与平面内方向与AC成成480，入射面取，入射面取A
16、CNM面面两块特殊要求加工的直角方解石，如图：两块特殊要求加工的直角方解石，如图：加拿大树胶的折射率加拿大树胶的折射率n=1.55.o光入射角大于光入射角大于其临界角其临界角arc sin(1.55/1.658)=69012，被全反射，被全反射，在在CN处为涂黑层所吸收。处为涂黑层所吸收。出射偏振方向在出射偏振方向在ACNM平面平面内的偏振光内的偏振光。方解石的折射率方解石的折射率n0=1.658, ACNMe760O220680220e24例例5. 一一束束光光具具有有自自然然光光和和偏偏振振光光的的混混合合光光，让让它它垂垂直直通通过过一一偏偏振振片片，若若以以此此入入射射光光束束为为轴轴
17、，旋旋转转偏偏振振片片时时，测测得得透透射射光光强强强强度度的的最最大大值值是是最最小小值值的的5倍倍，求求入入射射光光束束中中，自自然然光光与与线线偏偏振振光光的的光光强比值。强比值。 解：解：设入射光束中自然光强为设入射光束中自然光强为I0，线偏振光的光强为线偏振光的光强为I1，则则又因又因所以所以2515章章 完完 15-5 偏振光的干涉偏振光的干涉(P247250不要求不要求)2614.5 *X 射线衍射射线衍射 布喇格公式布喇格公式 X 射线射线原子内壳层电子跃迁产生的一种辐射和高速电子原子内壳层电子跃迁产生的一种辐射和高速电子在靶上骤然减速时伴随的辐射，称为在靶上骤然减速时伴随的辐
18、射，称为X 射线。射线。其特点是：其特点是：# 在电磁场中不发生偏转。在电磁场中不发生偏转。# 穿透力强穿透力强# 波长较短的电磁波，波长较短的电磁波， 范围在范围在0.001nm10nm之间。之间。AK高压高压1895年德国的伦琴发现年德国的伦琴发现X射线。射线。27X 射线晶体衍射射线晶体衍射 天然晶体可以看作是光栅常数天然晶体可以看作是光栅常数很小的空间三维衍射光栅很小的空间三维衍射光栅。1912年劳厄的实验装置，如图：年劳厄的实验装置，如图：BCP铅版铅版天然天然晶体晶体乳胶板乳胶板在乳胶板上形成对称分布的在乳胶板上形成对称分布的若干衍射斑点，称为劳厄斑。若干衍射斑点，称为劳厄斑。19
19、13年英国物理学家布喇格年英国物理学家布喇格父子提出一种简化了的研究父子提出一种简化了的研究X射线衍射的方法，与劳厄射线衍射的方法，与劳厄理论结果一致。理论结果一致。（p220）28 布喇格公式布喇格公式同一晶面上相邻原子同一晶面上相邻原子散射的光波的光程差散射的光波的光程差零零 AD-CB= 0， 它们它们相干加强。若要在该相干加强。若要在该方向上不同晶面上原方向上不同晶面上原子散射光相干加强，子散射光相干加强，则必须满足：则必须满足：即当即当 时各层面上的反射光相干加强，形时各层面上的反射光相干加强，形成亮点，称为成亮点，称为 k 级干涉主极大。该式称为级干涉主极大。该式称为布喇格公式布喇
20、格公式。因为晶体有很多组平行晶面，晶面间的距离因为晶体有很多组平行晶面，晶面间的距离 d 各各不相同所以，不相同所以，劳厄斑是由空间分布的亮斑组成。劳厄斑是由空间分布的亮斑组成。B123dCDMNPA29X 射线的应用不仅开创了研究晶体结构的新领域，射线的应用不仅开创了研究晶体结构的新领域，而且用它可以作光谱分析，在科学研究和工程技而且用它可以作光谱分析，在科学研究和工程技术上有着广泛的应用。术上有着广泛的应用。在医学和分子生物学领域也不断有新的突破。在医学和分子生物学领域也不断有新的突破。19531953年英国的威尔金斯、沃森和克里克利用年英国的威尔金斯、沃森和克里克利用X X 射线的结构分析得到了遗传基因脱氧核糖射线的结构分析得到了遗传基因脱氧核糖核酸（核酸（DNA) DNA) 的双螺旋结构，荣获了的双螺旋结构，荣获了1962 1962 年年度诺贝尔生物和医学奖。度诺贝尔生物和医学奖。第第14章章 光的衍射光的衍射 (完完)14.6 衍射光强的计算机模拟衍射光强的计算机模拟 (p221-226) 不要不要求求30
