大学物理 光的偏振

1、119 光的偏振光的偏振19-3 反射和折射起偏反射和折射起偏 布儒斯特定律布儒斯特定律19-4 晶体晶体双折射双折射 偏振棱镜偏振棱镜19-5 椭圆和圆偏振光的获得和检验椭圆和圆偏振光的获得和检验19-6 偏振光的干涉偏振光的干涉19-2 起偏和检偏起偏和检偏 马吕斯定律马吕斯定律19-1 自然光和偏振光自然光和偏振光19-8 旋光旋光19-7 光弹效应和电光效应光弹效应和电光效应22. .线偏振光线偏振光光的振动光的振动方向在同一平面内方向在同一平面内，只沿某一只沿某一固定方向固定方向振动的光。振动的光。平面偏振光平面偏振光完全偏振光完全偏振光振动面振动面vE一、一、自然光自然光 偏振光偏

2、振光1. .自然光（非偏振光）自然光（非偏振光）在垂直光传播方向的平面内，光矢量在垂直光传播方向的平面内，光矢量大小大小在所有可能方向上都在所有可能方向上都相等相等，各矢量之间，各矢量之间没有固定的相位关系没有固定的相位关系，这种光称为，这种光称为自然光自然光。 22ixxxAAI 22iyyyAAI021IIIyx 19-1 自然光和偏振光自然光和偏振光光波是光波是横波横波光的偏振光的偏振33. .部分偏振光部分偏振光某一方向的光振动比与其垂直方向上的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，称为部分偏振光。光振动占优势的光，称为部分偏振光。4. .椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和

3、圆偏振光频率相同，振动方向互相垂直，且有固频率相同，振动方向互相垂直，且有固定相位差的两列定相位差的两列线偏振光线偏振光的合振动。的合振动。1cos()xxAt2cos()yyAt满足椭圆方程，合成椭圆偏振光满足椭圆方程，合成椭圆偏振光222222cossinxyxyxyxyAAA A21(21)2kxyAA合成正椭圆偏振光合成正椭圆偏振光xyAA合成圆偏振光合成圆偏振光k合成线偏振光合成线偏振光419-2 起偏和检偏起偏和检偏 马吕斯定律马吕斯定律起偏器起偏器2. .透振方向（偏振化方向）：透振方向（偏振化方向）：检偏器检偏器当自然光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向当自然光照射在偏振片上

4、时，它只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的的光通过，这个方向叫此偏振片的透振方向透振方向。1. .二向色性和偏振片二向色性和偏振片二向色性二向色性二向色性二向色性：某些物质能吸收某：某些物质能吸收某一方向的光振动，而只让与这一方向的光振动，而只让与这个方向垂直的光振动通过，这个方向垂直的光振动通过，这种性质称种性质称二向色性二向色性。5三、马吕斯定律：三、马吕斯定律：一束光强为一束光强为 I0 的的线偏振光线偏振光，透过检偏器的透射光强为：，透过检偏器的透射光强为：20cosII 是线偏振光的光振动方向与检偏器透振方向之间夹角。是线偏振光的光振动方向与检偏器透振方向之间夹角。起偏器起

5、偏器透振方向透振方向0E0I检偏器检偏器E I619-3 反射和折射起偏反射和折射起偏 布儒斯特定律布儒斯特定律1. 反射和折射起偏反射和折射起偏空气空气玻璃玻璃2n1nii折射光：部分偏振光折射光：部分偏振光201ntgini0 为为起偏角起偏角布儒斯特定律布儒斯特定律满足上式满足上式反射光反射光是垂直于入射面的是垂直于入射面的完完全线偏振光全线偏振光，折射光是，折射光是部分偏振光部分偏振光。反射光：部分偏振光反射光：部分偏振光垂直垂直于入射面的振动于入射面的振动大于平行大于平行于入射面的振动。于入射面的振动。平行平行于入射面的振动于入射面的振动大于垂直大于垂直于入射面的振动。于入射面的振动

6、。20i反射线与折射线垂直反射线与折射线垂直0i0i1n2n7 玻片堆玻片堆玻片堆玻片堆许多玻璃片叠起来：许多玻璃片叠起来：增强反射光的强度，增强反射光的强度，增强透射光的偏振化程度增强透射光的偏振化程度。折射光近似完全线偏振光，是折射光近似完全线偏振光，是平行于入射面振动。平行于入射面振动。80i0i0iiii讨论讨论下列情况光线的反射和折射下列情况光线的反射和折射919-4 晶体双折射晶体双折射 偏振棱镜偏振棱镜一一、双折射的寻常光和非常光双折射的寻常光和非常光寻常光寻常光（O光光）：）：满足折射定律。满足折射定律。非常光非常光（e 光光）：）：违背折射定律。违背折射定律。实验证明实验证明

7、 O 光和光和 e 光都是偏振光光都是偏振光O光光e光光偏振片偏振片晶体光学性质简介晶体光学性质简介1. .晶体的光轴晶体的光轴晶体内部的一个特殊方向，称晶体的晶体内部的一个特殊方向，称晶体的光轴光轴。光线沿这一方向传播时不发生光线沿这一方向传播时不发生双折射现象双折射现象。 方解石晶体方解石晶体单轴晶体单轴晶体双轴晶体双轴晶体2. .晶体主截面晶体主截面界面的界面的法线和光轴法线和光轴构成的平面构成的平面3. .晶体主平面晶体主平面晶体中晶体中某光线和光轴某光线和光轴构成的平面构成的平面102AB光轴光轴78787810210210产生双折射的原因产生双折射的原因寻常光线寻常光线（O光光）o

8、ocnv常量常量光轴光轴ov非常光线非常光线（e光光）eecnvne 为主折射率为主折射率光振动方向始终与光轴垂直光振动方向始终与光轴垂直，在晶体中的传，在晶体中的传播速度和折射率恒定，因而遵守折射定律。播速度和折射率恒定，因而遵守折射定律。光振动方向和光轴夹角在晶体光振动方向和光轴夹角在晶体中发生变化中发生变化，传播速度和折射，传播速度和折射率也随之改变，因而不遵守折率也随之改变，因而不遵守折射定律。射定律。O光波阵面光波阵面ev e光波阵面光波阵面11*二二、惠更斯原理对双折射现象的解释惠更斯原理对双折射现象的解释正晶体正晶体: :负晶体负晶体: :()ooeevnnv()oeoevnnv

9、如石英，碳，冰。如石英，碳，冰。如方解石，红宝石。如方解石，红宝石。1.正晶体和负晶体正晶体和负晶体光轴光轴负晶体负晶体 ovev光轴光轴正晶体正晶体 ovev122）*惠更斯作图法惠更斯作图法空气空气方解石方解石折射表面折射表面光轴方向光轴方向ABA0 B Be Oe13光轴光轴OeOe(a)光轴光轴(b)光轴光轴(c)光轴光轴(d)Oe14三三、尼科尔棱镜尼科尔棱镜15*四四、1/4波片和半波片波片和半波片()oenn d2()oenn d/2 ()4oenn d ()2oenn d 半波片半波片从单晶体切下来的薄片，其表面从单晶体切下来的薄片，其表面与晶体的光轴平行。与晶体的光轴平行。1

10、/4波片波片光轴光轴波片波片光轴光轴1619-5 椭圆偏振光和圆偏振光的获得和检验椭圆偏振光和圆偏振光的获得和检验利用振动方向互相垂直，频率相同的两个简谐运利用振动方向互相垂直，频率相同的两个简谐运动能够合成为椭圆或圆运动的原理。动能够合成为椭圆或圆运动的原理。1/4波片波片()oenn d/2 正椭圆偏振光正椭圆偏振光/4 圆偏振光圆偏振光sinoAAcoseAA4d1P光光轴轴17小结：小结：偏振光的获得和检验偏振光的获得和检验1. .偏振光的获得偏振光的获得1）线偏振光：（从自然光获得线偏振光）线偏振光：（从自然光获得线偏振光）2）椭圆偏振光：）椭圆偏振光：偏振片、玻片堆、晶体（波片）、

11、尼科耳棱镜等。偏振片、玻片堆、晶体（波片）、尼科耳棱镜等。自然光通过自然光通过起偏器起偏器和和一个波片一个波片。2. .检验偏振光检验偏振光自然光，圆偏振光，线偏振光，部分偏振光，椭圆偏振光。自然光，圆偏振光，线偏振光，部分偏振光，椭圆偏振光。18第一步第一步第二步第二步令入射光通过令入射光通过偏振片偏振片A ，改变改变 A 的透振方向，观察透射光强变化的透振方向，观察透射光强变化观察现象观察现象观察现象观察现象结论结论结论结论有消失有消失线偏振光线偏振光有消失有消失圆偏振光圆偏振光无消失无消失自然光自然光强度无变化强度无变化自然光自然光或或圆偏振光圆偏振光a.令入射光依次通过令入射光依次通过

12、1/4 波片波片和和偏振片偏振片B，改变改变B的透振方向的透振方向，观察透光强度变化观察透光强度变化。有消失有消失无消失无消失椭圆偏振光椭圆偏振光 部分偏振光部分偏振光强度有变化，但无消光强度有变化，但无消光部分偏振光部分偏振光或或椭圆偏振光椭圆偏振光b. 1/4波片波片的光轴方向必须的光轴方向必须与通过与通过偏振片偏振片A的极大或极的极大或极小的透振方向重合。小的透振方向重合。IAI4B4AB19Ee2 和和 Eo2两束光频率相同，振动方向两束光频率相同，振动方向相同，相位差恒定相同，相位差恒定，是相干偏振光。，是相干偏振光。19-6 偏振光的干涉偏振光的干涉1. 偏振光的干涉现象偏振光的干

13、涉现象2. 偏振光的干涉原理偏振光的干涉原理21coscoscoseeEEE21sinsinsinooEEEEoEeP1 E1P2 Ee2Eo2O光轴光轴电矢量的分解与合成电矢量的分解与合成e20光屏上的合成振动光屏上的合成振动振幅振幅2E222oeEEE2222222coseoeoEEE E强度强度2222222222coseoeoIEEEE E讨论：讨论：1） I2 与与 、 、 有关有关。2） 来源来源a）入射波片前的入射波片前的 1，设设 1=0b）波片引起的波片引起的 2c）坐标投影引起的坐标投影引起的 3（0 或或 ）020 ()ennd或222211(coscossinsinsi

14、n 2sino)2c s2IEoEeP1 E1P2 Ee2Eo2Oe光轴光轴213）当当 21PP 322210sin2sin ()edIInn当当(0,1, 2)2KK时，时，20I出现消光现象出现消光现象(21) 4K时，时，当当sin 212I达到极大。达到极大。2222211(coscossinsinsin2 sin2cos )2II20211sin 22eEEE2因此，在两正交偏振片上，插入晶片厚度因此，在两正交偏振片上，插入晶片厚度 d 或或 (n0-ne)不均匀，不均匀，将在屏上出现类似于等厚干涉条纹图样。将在屏上出现类似于等厚干涉条纹图样。4）白光照射下干涉图样有彩色变化白光照

15、射下干涉图样有彩色变化叫色偏振叫色偏振5）当当 21/ PP3021/2III互补互补EoEeP1 E1P2 Ee2Eo2Oe光轴光轴2219-7 光弹效应和电光效应光弹效应和电光效应1. 光弹效应光弹效应2. 电光效应电光效应克尔效应克尔效应泡克耳斯效应泡克耳斯效应2()oenn lklE2319-18 旋光现象旋光现象1. 晶体和溶液的旋光性晶体和溶液的旋光性旋光现象旋光现象1） 晶体晶体: :振动面旋转角度振动面旋转角度ddd2 2）液体）液体: :晶体厚度晶体厚度晶体的旋光度（率）晶体的旋光度（率）溶液浓度溶液浓度旋光率旋光率242 磁致旋光磁致旋光BlV:l:B:V样品长度样品长度磁

16、场磁场 费尔德常数费尔德常数左旋左旋右旋右旋25偏振总结偏振总结 1. .起偏方法起偏方法3. .马吕斯定律马吕斯定律4. .布儒斯特布儒斯特定律定律20cosII201ntgin2. .检偏方法检偏方法吸收起偏，反射，折射，吸收起偏，反射，折射，晶体双折射晶体双折射0090i26例例1. 一束自然光从空气射到平面玻璃上，入射角为一束自然光从空气射到平面玻璃上，入射角为 58o ，此时此时反射光是线偏振光，求此玻璃的折射率及光线的折射角。反射光是线偏振光，求此玻璃的折射率及光线的折射角。解：由布儒斯特定律解：由布儒斯特定律2021ntginn0090i折射角为折射角为02581.60ntg00

17、09058320i0i1n2n27例例2. 两个偏振方向正交放置的偏振片两个偏振方向正交放置的偏振片，以光强为，以光强为I0的自然单色光的自然单色光照射，若在其中插入另一块偏振片，照射，若在其中插入另一块偏振片，求：求：（1）若透过的光强为若透过的光强为I0 /8，插入的偏振片方位角；插入的偏振片方位角；（2）若透过的光强为若透过的光强为0，插入的偏振片方位角；插入的偏振片方位角；（3）能否找到合适的方位，使透过的光强为能否找到合适的方位，使透过的光强为I0/2；（4）若在其中插入一块若在其中插入一块1/4波片，其光轴与第一块偏振片的偏振波片，其光轴与第一块偏振片的偏振方向成方向成30 角，出

18、射光的强度为多少？角，出射光的强度为多少？解解: （1）设插入的偏振片与第一块偏振片偏振设插入的偏振片与第一块偏振片偏振方向的夹角为方向的夹角为 ，则与第二块的夹角为则与第二块的夹角为90 - 。自然光透过第一块偏振片后的光强为自然光透过第一块偏振片后的光强为I0/2。由马吕斯定律透过第二，三个偏振由马吕斯定律透过第二，三个偏振片光强分别为片光强分别为2201cos2II2023201cos (90)sin 28III0451P3P2P28（2）若若I3=0，得得2sin 2002或即即插入的偏振片偏振方向应与插入的偏振片偏振方向应与其中的一块平行。其中的一块平行。（3）若若I3=I0/2，得得2sin 24说明出射光强不可能为说明出射光强不可能为I0/2。2301sin 28IIP1P2 Ae1Ao1A1光轴光轴Ae2Ao2221113sin224eoAAAA（4）设通过第一片偏振片设通过第一片偏振片P1的光的光振幅为振幅为A1，则则通过通过1/4玻片后玻片后，O光和光和e光有光有 /2的相位差，通过的