医用物理学：第9章 波动光学(偏振)

1、偏振偏振: : 波波的振动方向相对传播方向的不对称性。的振动方向相对传播方向的不对称性。光矢量光矢量振动面振动面v0HE光的偏振态光的偏振态: : 光矢量在与光传播方向垂直的光矢量在与光传播方向垂直的 平面内的振动状态。平面内的振动状态。9-3 9-3 光的偏振光的偏振一、自然光和偏振光一、自然光和偏振光natural light and polarized light 在任何方向在任何方向E矢量的振幅都相等矢量的振幅都相等自然光c c 分解在两个分解在两个相互垂直的方向相互垂直的方向并振幅相等。并振幅相等。面对光的传播方向观察面对光的传播方向观察yxEE yxIII线偏振光，圆偏振光、椭圆偏

2、振光线偏振光，圆偏振光、椭圆偏振光光波的光矢量方向始终不变，只光波的光矢量方向始终不变，只沿一个固定方向振动。沿一个固定方向振动。线偏振光的表示法：线偏振光的表示法：光振动平行板面光振动平行板面x光振动垂直板面光振动垂直板面 x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EExcosEEysinxEyEE部分偏振光：光矢量在某个方向上最强。部分偏振光：光矢量在某个方向上最强。椭圆偏振光：光矢量的末端在垂直于传播方向的椭圆偏振光：光矢量的末端在垂直于传播方向的 平面上轨迹是椭圆。平面上轨迹是椭圆。圆偏振光：光矢量的末端在垂直于传播方圆偏振光：光矢量的末端在垂直于传播方 向

3、的平面上轨迹是圆。向的平面上轨迹是圆。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 偏振片偏振片 Polaroid 用来获得用来获得(或检查或检查)线偏振光的线偏振光的光学元件光学元件二、起偏和检偏二、起偏和检偏透光轴透光轴能使光矢量无损耗通过的那个方向能使光矢量无损耗通过的那个方向透透光光轴轴方方向向自然光自然光偏振片偏振片线偏振光线偏振光起偏器起偏器 polarizer检偏器检偏器 analyzer把自然光变为偏振光的装置把自然光变为偏振光的装置 检测光波是否偏

4、振及其确定检测光波是否偏振及其确定其振动方向的装置其振动方向的装置马吕斯定律马吕斯定律901802703600马吕斯马吕斯(Malus,1775-1812) 法国物理学家及军事工程师。出生于巴法国物理学家及军事工程师。出生于巴黎，黎，17961796年毕业于巴黎工艺学院，曾在工程兵年毕业于巴黎工艺学院，曾在工程兵部队中任职。部队中任职。18081808年起在巴黎工艺学院工作。年起在巴黎工艺学院工作。18101810年被选为巴黎科学院院士，曾获得过伦敦年被选为巴黎科学院院士，曾获得过伦敦皇家学会奖章。皇家学会奖章。 马吕斯从事光学方面的研究。马吕斯从事光学方面的研究。18081808年发现年发现

5、反射时光的偏振，确定了偏振光强度变化的规反射时光的偏振，确定了偏振光强度变化的规律（现称为马吕斯定律）。律（现称为马吕斯定律）。901802703600图例：图例：未装偏振片未装偏振片装偏振片装偏振片偏振度偏振度DminmaxminmaxIIIID0,minmaxDII1, 0,minmaxDIII部分偏振光部分偏振光自然光自然光线偏振光线偏振光10 D检偏器透光强度检偏器透光强度)(II ：描述光的偏振程度：描述光的偏振程度平行放置两偏振片，使它们的偏振化方向成平行放置两偏振片，使它们的偏振化方向成 60 夹角。让夹角。让自然光垂直入射后自然光垂直入射后,下列两种情况下：下列两种情况下：01

6、21II (1) 无吸收时，有无吸收时，有60cos212II 125. 08160cos21202II(1) 两偏振片对光振动平行于其偏振化方向的光线均无吸收两偏振片对光振动平行于其偏振化方向的光线均无吸收例例求求解解(2) 有吸收时，有有吸收时，有10. 0101%)101 (81202II(2) 两偏振片对光振动平行于其偏振化方向的光线分别吸收两偏振片对光振动平行于其偏振化方向的光线分别吸收了了10% 的能量的能量透射光的光强与入射光的光强之比是多大？透射光的光强与入射光的光强之比是多大？思考题：思考题： 自然光变为偏振光时，光强如自然光变为偏振光时，光强如何变化？何变化？ 让一强度为让

7、一强度为I0 0的自然光经过三个偏振的自然光经过三个偏振化方向依此成化方向依此成30300 0的偏振片，求：最后所的偏振片，求：最后所得的偏振光强度？若每个偏振片吸收光得的偏振光强度？若每个偏振片吸收光强强10%10%，最后所得的偏振光强度？，最后所得的偏振光强度？三三. . 偏振光的获得偏振光的获得1. 反射和折射产生偏振反射和折射产生偏振自然光反射和折射后产生自然光反射和折射后产生部分偏振光部分偏振光 2n1nii # 布儒斯特定律布儒斯特定律线偏振光线偏振光 bi 2n1nbi ib 布儒斯特角或起偏角布儒斯特角或起偏角当当ib+ =90o 时时，反射光为线偏振光反射光为线偏振光ninb

8、sinsin2112tannnib很小反I1）布儒斯特定律）布儒斯特定律 bin cos2815600. 150. 1arctan bi2）玻璃片堆起偏和检偏玻璃片堆起偏和检偏玻璃片堆玻璃片堆线偏振光线偏振光 0i I0I例如例如 n1 =1.00( (空气空气) )， n2 =1.50( (玻璃玻璃) )，则则空气空气玻璃玻璃玻璃玻璃空气空气243350. 100. 1arctan bi入射自然光入射自然光 某些透明晶体（如方解石、某些透明晶体（如方解石、石英等）沿不同方向其光学石英等）沿不同方向其光学特性有所不同（各向异性）。特性有所不同（各向异性）。 一束单色光入射于这种一束单色光入射于

9、这种晶体时会产生两束折射光，晶体时会产生两束折射光，称为双折射现象。称为双折射现象。2. 双折射双折射double refraction寻常光与非常光寻常光与非常光 均为线偏光均为线偏光光光光光当方解石晶体旋转时当方解石晶体旋转时o o光不动，光不动，e e光围绕光围绕o o光旋转光旋转双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体o、e光的波面假设方解石内有一单色点光源假设方解石内有一单色点光源 S SO O光波速光波速在方解石内在方解石内波面是球面各向相等光波速负晶体负晶体在光轴方向等于O光波速在其它方向大于O光波速在垂直光轴方向波速最大波面是椭圆回旋面回旋轴向为光轴方向3. 3.二向色性二向

10、色性 dichroism结果可输出线偏振结果可输出线偏振光，但带有较深的光，但带有较深的黄绿色。黄绿色。O光光电气石自然光自然光一种典型的二向色晶体，对在晶体内光振动相互垂直的o、e 两光中的o光有强烈的吸收作用；而对e 光的吸收则相对较少。线偏振光线偏振光e光光CC 二向色晶体（或二向色性晶体）是一种对两相互二向色晶体（或二向色性晶体）是一种对两相互垂直的光振动中之一具有垂直的光振动中之一具有选择性吸收作用选择性吸收作用的晶体。的晶体。 天然晶体偏振器尺寸不大，成本高。现今广泛使用偏振片(使具有二向色性的细微晶粒的光轴在塑料薄膜上定向排列) 人工方法制成的二向色性多晶体薄膜.在薄膜的垂直方向

11、表现出和单晶体同样的二向色性 吸收o 光而通过e光。把这薄膜夹在两片透明塑料片之间, 便成为偏振片, 它轻便、便宜且不难获得大面积. 在汽车前灯及挡风玻璃上安装偏振片, 光能会损失50% 以上。当初的车灯功率是25W,现在已经达到80W (最大84W,GB1576611- 1995),完全可以弥补偏振片带来的光亮损失。由于偏振片的存在,实际光强为两车不装偏振片的40% ,车灯根本不耀眼了。四、物质的旋光性四、物质的旋光性旋光物质旋光物质：具有旋光性的物质。：具有旋光性的物质。 （也称为（也称为光活性物质光活性物质） 旋光现象旋光现象：偏振光通过物质时偏振光通过物质时振动面发生旋转的现象。振动面

12、发生旋转的现象。旋光性旋光性optical activity ： 能使振动面发生旋转的性质。能使振动面发生旋转的性质。四、四、物质的旋光性物质的旋光性AA BCDB D C AA AA BCDB D C AA 乙 醇不 旋 光 物 质乳 酸旋 光 性 物 质AA BCDB D C AA AA BCDB D C AA 乙 醇不 旋 光 物 质乳 酸旋 光 性 物 质v旋光物质的旋光方向旋光物质的旋光方向v旋光度旋光度：左旋体左旋体( (- -) )：使偏振光振动平面按：使偏振光振动平面按逆时针逆时针方向旋转；方向旋转；旋光度的旋光度的大小大小取决于物质的取决于物质的浓度、温度、旋光管长度、光浓度、温度、旋光管长度、光的波长及溶剂等因