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1、第4章 光的偏振与偏振器件偏振现象：证实了光的横波性振动方向和传播方向垂直的波叫横波横波4.1 4.1 从自然光获得线偏振光从自然光获得线偏振光4.2 4.2 晶体的双折射晶体的双折射4.3 4.3 晶体光学器件晶体光学器件4.4 4.4 椭圆偏振光和圆偏振椭圆偏振光和圆偏振4.5 4.5 偏振光和偏振器件的矩阵表示偏振光和偏振器件的矩阵表示4.6 4.6 偏振光的干涉及其应用偏振光的干涉及其应用4.7 4.7 旋光旋光 本章内容本章内容1、自然光自然光（1 1）在垂直光线的平面内，光）在垂直光线的平面内，光矢量沿各方向振动的概率均等，矢量沿各方向振动的概率均等，振动方向无规则性振动方向无规则
2、性（2 2）可以看成由两个振动方）可以看成由两个振动方向相互垂直，振幅相等，互不向相互垂直，振幅相等，互不相干线偏振光的叠加。相干线偏振光的叠加。没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解4.1.1 自然光与线偏振光自然光与线偏振光4.1 从自然光获得线偏振光从自然光获得线偏振光zy2 2、线偏振光、线偏振光3 3、圆椭圆偏振光和椭圆偏振光、圆椭圆偏振光和椭圆偏振光光矢量方向不变，其大小随位相变化光矢量大小不变，其方向绕传播方向均匀转动，且矢量末端轨迹为圆光矢量在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量大小和方向都在有规律地变化，且矢量末端轨迹为椭圆4 4、椭圆偏振光椭圆偏振光右旋圆右旋圆偏振
3、光偏振光右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光规定：迎着光线看（对着光的传播方向），规定：迎着光线看（对着光的传播方向）， 光矢量顺时针转的称光矢量顺时针转的称右旋右旋圆偏振光圆偏振光 （或椭圆偏振光）；（或椭圆偏振光）；光矢量逆时针转的称光矢量逆时针转的称左旋左旋圆偏振光圆偏振光 （或椭圆偏振光）。（或椭圆偏振光）。5 5、部分偏振光、部分偏振光彼此无固定相位关系、振动方向任意、不同方向上振幅彼此无固定相位关系、振动方向任意、不同方向上振幅不同的大量光振动的组合不同的大量光振动的组合, ,称部分偏振光，它介于自然光称部分偏振光，它介于自然光与线偏振光之间。与线偏振光之间。部分偏振光两垂直方向光部分偏振
4、光两垂直方向光振动之间无固定的相位差。振动之间无固定的相位差。部分偏振光在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的部分偏振光在垂直于光传播方向的平面内沿各方向振动的光矢量都有，但振幅不对称，在某一方向振动较强，而与光矢量都有，但振幅不对称，在某一方向振动较强，而与它垂直的方向上振动较弱。它垂直的方向上振动较弱。 偏振度偏振度 I It t 总强度总强度I Ip p 部分偏振光中包含的完全偏振光的强度部分偏振光中包含的完全偏振光的强度完全偏振光完全偏振光 ( (线、圆、椭圆线、圆、椭圆 ) ) P P =1=1自然光自然光 P P = 0= 0部分偏振光部分偏振光 0 0 P P 1 1P P的取
5、值范围：的取值范围：定义定义I In n 部分偏振光中自然光的光强部分偏振光中自然光的光强 （4.1-1）v 利用反射与折射利用反射与折射v 利用二向色性利用二向色性v 利用晶体的双折射利用晶体的双折射v 利用散射利用散射4.1.2 从自然光获得线偏振光的方法从自然光获得线偏振光的方法1、利用反射与折射获得线偏振光利用反射与折射获得线偏振光自然光在两种各向同性介质的分界面上反射和折射时，自然光在两种各向同性介质的分界面上反射和折射时，s s波和波和p p波的反射系数不同，所以反射光和折射光都是部分偏振光。波的反射系数不同，所以反射光和折射光都是部分偏振光。反射光：以垂直于入射反射光：以垂直于入
6、射面的光振动为主面的光振动为主折射光：以平行于入射折射光：以平行于入射面的光振动为主面的光振动为主n2n1反射光折射光偏振化的程度随入射角的不同而变化反射光折射光偏振化的程度随入射角的不同而变化若光从折射率为若光从折射率为n n1 1的介质射向折射率为的介质射向折射率为n n2 2的介质，当入射角的介质，当入射角满足满足布儒斯特（布儒斯特（Brewster）定律）定律反射光：垂直于入射面的光振动反射光：垂直于入射面的光振动反射光：线偏振光，反射光：线偏振光，折射光：部分偏振光。折射光：部分偏振光。 : :起偏角起偏角或或布儒斯特角布儒斯特角2n1nBq2qBq,1. 激光器的布儒斯特窗激光器的
7、布儒斯特窗应用应用为解决这个矛盾，让光通过由多片玻璃叠合而成的片堆，入为解决这个矛盾，让光通过由多片玻璃叠合而成的片堆，入射角等于布儒斯特角，经过多次的反射和折射，既能获得较射角等于布儒斯特角，经过多次的反射和折射，既能获得较高的偏振度，光的强度也比较大。高的偏振度，光的强度也比较大。2.2.玻璃片堆玻璃片堆偏振分光镜偏振分光镜只用一片玻璃的缺点：只用一片玻璃的缺点：以布儒斯特角入射时，反射光以布儒斯特角入射时，反射光虽为线偏振光，但强度太小虽为线偏振光，但强度太小，透射光的强度虽大，但偏振度透射光的强度虽大，但偏振度太小太小玻璃片堆玻璃片堆偏振分光镜偏振分光镜2 2、利用二向色性利用二向色性
8、产生偏振光产生偏振光某些物质能有选择的吸收某一个方向的光振动，而只允某些物质能有选择的吸收某一个方向的光振动，而只允许某个特定方向的光振动通过，物质的这种性质称为许某个特定方向的光振动通过，物质的这种性质称为二向二向色性色性。 在天然晶体中，电气石具有在天然晶体中，电气石具有 最强的最强的二向色性二向色性。 偏振片偏振片有一个特定的方向，只让平行与该方向的振动通有一个特定的方向，只让平行与该方向的振动通过。我们把允许特定光振动通过的方向称为过。我们把允许特定光振动通过的方向称为透过轴透过轴电气石的二向色性电气石的二向色性当当 P1 / P2 时，时，透射光最强透射光最强当当 P1 P2 时时透
9、射光为零透射光为零实验发现：实验发现：偏振光偏振光入射：偏振片入射：偏振片P P2 2旋转一周时，光强度经历两次最明、两旋转一周时，光强度经历两次最明、两次最暗的变化。次最暗的变化。自然光自然光入射：偏振片入射：偏振片P P1 1旋转一周时，光强度并不发生变化。旋转一周时，光强度并不发生变化。1. .当当光强最强光强最强2. .当当时时，光强最小光强最小时，时，起偏器检偏器4.1.3 马吕斯定律与消光比马吕斯定律与消光比（4.1-2）验证马吕斯定律和测定消光比的实验装置 4.2 4.2 晶体的双折射晶体的双折射4.2.1 双折射现象的规律双折射现象的规律方解石晶体 寻常光线（寻常光线（o o光
10、）光）服从折射定律的光线服从折射定律的光线 非常光线（非常光线（e e光）光）不服从折射定律的光线不服从折射定律的光线（一般情况，非常光线不在入射面内）（一般情况，非常光线不在入射面内）实验证明：实验证明： O O 光和光和 光均为偏振光光均为偏振光，其偏振方向与晶体光轴有关，其偏振方向与晶体光轴有关. .ACBo oe eDeo1.1.寻常光与非常光寻常光与非常光只有在晶体内部光线才有必要分为只有在晶体内部光线才有必要分为o o光和光和e e光，它们具有不同的传播特性，一光，它们具有不同的传播特性，一旦从晶体透出进入各向同性介质后就成为普通的线偏振旦从晶体透出进入各向同性介质后就成为普通的线
11、偏振光，而不是光，而不是o o光和光和e e光光了了2.2.晶体光轴晶体光轴晶体光轴晶体有一个特殊方向，当光在晶体中沿着这个方向传播时，不发生双折射。这个特殊方向就是晶体光轴单轴晶体：只有一个特殊方向，即一个光轴 如：方解石、石英、KDP双轴晶体：有两个特殊方向，即2个光轴 如：云母、石膏、蓝宝石O光主平面e光主平面3.3.主平面与主截面主平面与主截面主主平平面面：光光的的传传播播方方向向与与晶晶体光轴构成的平面。体光轴构成的平面。主截面：晶体中光轴和晶体主截面：晶体中光轴和晶体 表面法线构成的平面表面法线构成的平面o o光振动光振动 垂直于垂直于（o主平面）主平面）e e光振动光振动 平行于
12、平行于（e e主平面）主平面）e光光e光的光的主平面主平面o光光o光的光的主平面主平面光轴光轴光轴光轴 一般情形下，o主平面和e主平面是不重合的但若入射面与晶体的主截面重合时，则o光和e光都在这个平面内，即o主平面、e主平面与晶体主截面三者重合为一o光和e光的电矢量方向互相垂直。在实际上，都有意选择入射面与晶体主截面重合，以便所研究的双折射现象大为简化4.2.2 晶体的各向异性与电磁理论晶体的各向异性与电磁理论晶体的双折射现象，是入射电磁场与晶体相互作用的各向异性引起的方解石分子结构和各向异性正负晶体正负晶体（如如方解石方解石）负晶体负晶体正晶体正晶体（如如石英石英）主折射率主折射率 、 主速
13、度几种单轴晶体的主折射率几种单轴晶体的主折射率晶 体方 解 石白 云 石石 英 冰1.6584 1.4864 -0.17201.681 1.500 -0.1811.5443 1.5534 +0.00891.309 1.313 +0.004 为负晶体负晶体为正晶体正晶体对钠黄光(l=589.3nm)方解石方解石方解石方解石 1.1.1.1.光轴平行于入射面光轴平行于入射面光轴平行于入射面光轴平行于入射面, , , ,光垂直入射到界面上光垂直入射到界面上光垂直入射到界面上光垂直入射到界面上. . . .光轴光轴光轴光轴ooee石英石英石英石英光轴光轴光轴光轴ooee 4.2.3 用惠更斯原理说明双
14、折射现象用惠更斯原理说明双折射现象光线透过该厚度为光线透过该厚度为d d的晶的晶体后，体后， O O光、光、e e光的光程光的光程差为：差为： 出射光沿同方向传播，具有相互垂直的偏振方向，但出射光沿同方向传播，具有相互垂直的偏振方向，但传播速度不相同，我们认为产生了折射现象。传播速度不相同，我们认为产生了折射现象。2.2.平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴垂直于晶体表面。平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴垂直于晶体表面。 出射光沿同方向传播，具有相互垂直的偏振方向，传出射光沿同方向传播，具有相互垂直的偏振方向，传播速度相同，不产生折射现象。播速度相同，不产生折射现象。3.平行光垂直入射，光
15、轴在入射面内，光轴与晶体表面斜交平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴与晶体表面斜交出射两束偏振方向相互垂直的线偏光出射两束偏振方向相互垂直的线偏光4.平行光斜入射，平行光斜入射，光轴在入射面内光轴在入射面内，光轴与晶体表面斜交，光轴与晶体表面斜交空气空气空气空气晶体晶体晶体晶体方解石方解石方解石方解石例如例如例如例如光轴光轴光轴光轴 令令令令ACACACAC等于等于等于等于1.658,1.658,1.658,1.658,取取取取1 1 1 1为半径作圆为半径作圆为半径作圆为半径作圆 以以以以o o o o光波面半径光波面半径光波面半径光波面半径为短轴为短轴为短轴为短轴, , , ,令令令令ACACACAC等于等于等于等于1.486,1.486,1.486,1.486,取取取取1 1 1 1作长轴作长轴作长轴作长轴, , , ,作椭圆作椭圆作椭圆作椭圆
