Lecture 52 光的偏振与双折射

1、青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义机械横波与纵波的区别机械横波与纵波的区别机械波穿过狭缝机械波穿过狭缝一偏振一偏振(polarization)现象现象青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义二自然光二自然光 偏振光偏振光 自然光自然光 ：一般光源发出的光中，包含着各个方：一般光源发出的光中，包含着各个方向的光矢量，在所有可能的方向上的振幅都相等向的光矢量，在所有可能的方向上的振幅都相等(轴轴对称对称)，这样的光叫自然光。，这样的光叫自然光。 自然光自然光用用两两个个互相互相垂直垂直的的、互互为独立的为独立的(无确定无确定的的

2、相位相位关系关系)、振振幅相等的光振动表示幅相等的光振动表示，并各具有并各具有一半一半的振动能量的振动能量 。符号表示符号表示vE注意注意 各光矢量间无固定的相位关系各光矢量间无固定的相位关系 . 二二互相互相垂直方向是任选的垂直方向是任选的 .青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义 偏振光偏振光（线偏振光）（线偏振光）符号表示符号表示 部分偏振光部分偏振光 ：某一方向的光振动比与其垂直方：某一方向的光振动比与其垂直方向上的光振动占优势的光为部分偏振光向上的光振动占优势的光为部分偏振光 。符号表示符号表示光振动只沿某一固定方向的光光振动只沿某一固定方向的光 。振动面振动面vE青岛科技

3、大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义 起起 偏偏三偏振片起偏与检偏三偏振片起偏与检偏 二向色性二向色性：某些物质能吸收某一方向的光振动：某些物质能吸收某一方向的光振动 , 而只让与这个方向垂直的光振动通过，这种性质称而只让与这个方向垂直的光振动通过，这种性质称二向色性。二向色性。 偏振片偏振片：涂有二向色性材料的透明薄片。：涂有二向色性材料的透明薄片。 偏振化方向偏振化方向 ： 当自然光照射在偏振片上时，当自然光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向的光通过，这个方向称为此偏它只让某一特定方向的光通过，这个方向称为此偏振片的偏振化方向振片的偏振化方向(或称为偏振片的极化方向或称为偏振片的极化

4、方向)。021I偏振化方向偏振化方向0I起偏器起偏器青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义检偏器检偏器 检检 偏偏起偏器起偏器青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义NM四马吕斯定律四马吕斯定律（1880 年）年）E0Ecos0EE 2020EEII检偏器检偏器起偏器起偏器0IIE0ENM20cosII 马吕斯定律马吕斯定律 强度为强度为 的偏振的偏振光通过检偏振器后光通过检偏振器后, 出射光的强度为出射光的强度为0I青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义 例例1 有两个偏振片有两个偏振片,一个用作起偏器一个用作起偏器, 一个用作检一个用作检偏器偏器. 当它们偏振化

5、方向间的夹角为当它们偏振化方向间的夹角为 时时 , 一束单色一束单色自然光穿过它们自然光穿过它们, 出射光强为出射光强为 ; 当它们偏振化方向间当它们偏振化方向间的夹角为的夹角为 时时, 另一束单色自然光穿过它们另一束单色自然光穿过它们 , 出射光出射光强为强为 , 且且 . 求两束单色自然光的强度之比求两束单色自然光的强度之比 .30601I2I21II 10I20I解解 设两束单色自然光的强度分别为设两束单色自然光的强度分别为 和和 . 经过起偏器后光强分别为经过起偏器后光强分别为 和和 .220I210I经过检偏器后经过检偏器后30cos22101II 60cos22202II 2101

6、2220cos 601cos 303IIII青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义212cosII 3p1p0I0I1I3p2p1p2I3I2p3p1p0121II 20cos2I 在两块正交偏振片在两块正交偏振片 之间插入另一块偏之间插入另一块偏振片振片 ，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 .I31p,p2p2p3p0I1p讨论讨论青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义)2(cos223 II202cos2II 220223sincos21sinIII2sin81203I

7、I 若若 在在 间变化，间变化， 如何变化如何变化？203I0,23, ,2, 03I8,47,45,43,403II 0I1I3p2p1p2I3I2p3p1p青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义空气空气i1n入射面入射面入射光线和法线所入射光线和法线所成的平面成的平面 。反射光反射光部分部分偏振光，偏振光，垂直于入射面的振动大于平垂直于入射面的振动大于平行于入射面的振动。行于入射面的振动。折射光折射光部分部分偏振光，平行于入射面的振动大于垂偏振光，平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动。直于入射面的振动。理论和实验证明理论和实验证明：反射光的偏振化程度与入射角有关。：反射光的偏

8、振化程度与入射角有关。i光反射与折射时的偏振光反射与折射时的偏振玻璃玻璃2n青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义布儒斯特定律布儒斯特定律（1812年）年）反射光为完全偏振光，且反射光为完全偏振光，且振动面垂直入射面，折射振动面垂直入射面，折射光为部分偏振光。光为部分偏振光。120tannni 当当 时，时，1）此时）此时反射光和折射光互相垂直反射光和折射光互相垂直 .120sinsinnni00120cossintaniinni)2cos(sincos0i20i讨论讨论0i0i1n玻璃玻璃2n空气空气青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义120tannni tan)2ta

9、n(cot0210inni 2）根据光的根据光的可逆性可逆性，当入射光以，当入射光以 角从角从 介介质入射于界面时，此质入射于界面时，此 角即为布儒斯特角。角即为布儒斯特角。2n1n 2n玻璃玻璃0i0i1n玻璃玻璃2n0i青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义注意注意 对于一般的光学玻璃对于一般的光学玻璃 , 反射光的强度约占反射光的强度约占入射光强度的入射光强度的7.5%，大部分光将透过玻璃。，大部分光将透过玻璃。利用利用玻璃片堆玻璃片堆产生产生线线偏振光偏振光0i青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义0i0i0iiii讨论讨论讨论下列光线的反射和折射（讨论下列光线的反

10、射和折射（起偏角起偏角 ）.0i青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义1s2ss 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？pp,p,p211p2pp p451）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 . pp,21p,p p21p,pp,21p,p,pppp,p,p21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）无（无恒定相位差）无（无恒定相位差）有有2p1pp2p1p2p1pp p2p1p p2p1pp p青岛科技

11、大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义0i0i1n1空气空气 例例 一自然光自空气射向一块平板玻璃，入射角一自然光自空气射向一块平板玻璃，入射角为布儒斯特角为布儒斯特角 ，问，问 在界面在界面 2 的反射光是什么光？的反射光是什么光？0i玻璃玻璃2n2 注意：注意：一次一次起偏垂直入射面起偏垂直入射面的振动仅很小部的振动仅很小部分被反射（约分被反射（约15%）所以）所以反射反射偏振光很弱偏振光很弱 。一一般应用般应用玻璃片堆玻璃片堆产生偏振光产生偏振光青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义动动 光光 学学双折射现象双折射现象波波 动动 光光 学学五双折射五双折射(birefring

12、ence)的寻常光和非寻常光的寻常光和非寻常光 nisinsin恒量恒量i玻璃玻璃n折折 射射 定定 律律方解石晶体方解石晶体青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义光通过光通过双折射晶体双折射晶体青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义 寻常光线（寻常光线（o o光）光）(ordinary rays)(ordinary rays)服从折射定律的光线服从折射定律的光线(extraordinray rays) 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 光和

13、光和 光均为偏振光光均为偏振光.eACBoeDeo青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义光轴光轴在方解石这类晶在方解石这类晶体中存在一个特殊的方体中存在一个特殊的方向，当光线沿这一方向向，当光线沿这一方向传播时不发生双折射现传播时不发生双折射现象。称这一方向为晶体象。称这一方向为晶体的的光轴光轴。光轴光轴102AB光轴光轴787878102102青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义0710109光轴光轴 主截面主截面 当光在一晶体表面入射时，此表当光在一晶体表面入射时，此表面的法线与光轴所成的平面。面的法线与光轴所成的平面。 当入射面是主截面时，当入射面是主截面时， O

14、光的振动光的振动垂直垂直主截面；主截面； 光的振动光的振动平行平行于主截面。于主截面。e0710109光轴光轴 光光 光光eo青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义六尼科耳棱镜六尼科耳棱镜658. 1on486. 1en55. 1胶nBCAD904868 光光O光光e加拿大树胶加拿大树胶青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义尼科耳棱镜可用于起偏和检偏尼科耳棱镜可用于起偏和检偏090青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义O光波阵面光波阵面 光波阵面光波阵面eeevcn 光轴光轴Ovev 寻常光线寻常光线在晶体中在晶体中各方向上传播速度相同。各方向上传播速度相同。vc

15、n常量常量 非常光线非常光线晶体中晶体中各方向上传播速度不同各方向上传播速度不同, ,随方向改变而改变。随方向改变而改变。为主折射率为主折射率en七产生双折射的原因七产生双折射的原因青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义 能产生旋光现象的物质。（如石英能产生旋光现象的物质。（如石英晶体、糖溶液、酒石酸溶液等）晶体、糖溶液、酒石酸溶液等） 旋光物质旋光物质 偏振光通过某些物质后，其振动面偏振光通过某些物质后，其振动面将以光的传播方向为轴线转过将以光的传播方向为轴线转过 一定的角度。一定的角度。 旋光现象旋光现象:A起偏器起偏器:B检偏器检偏器:L盛有液体旋光盛有液体旋光物质的管子物质的

16、管子LABl 旋光仪旋光仪观察偏振光振动面旋转的仪器。观察偏振光振动面旋转的仪器。八旋光八旋光(optical rotation)现象现象青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义 对于旋光性物质的对于旋光性物质的溶液溶液 设设 为偏振光通过旋光物质后振动面所转过为偏振光通过旋光物质后振动面所转过的角度的角度LABl为旋光物质的浓度为旋光物质的浓度l为旋光物质的透光长度为旋光物质的透光长度为一与旋光物质有关的为一与旋光物质有关的常量常量 对于对于固体固体旋光物质旋光物质 l为一与旋光物质及入射光的波长有关的有关的常量为一与旋光物质及入射光的波长有关的有关的常量l( 一定一定 )青岛科技大学大学物理讲义青岛科技大学大学物理讲义VlBV叫韦尔代常