第五章光的偏振

1、第五章 光的偏振5-1 偏振光和自然光偏振光和自然光1.自然光自然光E E没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解 一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。的、等幅的、不相干的线偏振光。yxEE yxIII 自然光的表示法：自然光的表示法： 2. 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线偏振光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 sincosEEEEyx线偏振光的表示法：线偏振光的表示法： 光振动垂直板面光振动垂直板面光

2、振动平行板面光振动平行板面线偏振光线偏振光3. 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 部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光。直的、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3. 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 部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光。直的、不等幅的、不相干的线偏振

3、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垂直板面的光振动较 强强5-2 起偏和检偏起偏和检偏 马吕斯定律马吕斯定律1. 起偏和检偏起偏和检偏 起偏的原理起偏的原理：利用某些材料在光学性利用某些材料在光学性 质上的各向异性。质上的各向异性。 起偏：从自然光获得偏振光。起偏：从自然光获得偏振光。 起偏器起偏器: : 起偏的光学器件。起偏的光学器件。1.1 偏振片偏振片微晶型微晶型分子型分子型x yzz 入射入射电磁波电磁波电气石晶片电气石晶片非偏振光非偏振光线偏振光线偏振光光轴光轴线栅起偏器线栅起偏器起偏和检偏起偏和检偏021II 偏

4、振片的起偏偏振片的起偏非偏振光非偏振光I0线偏振光线偏振光 IP偏振化方向偏振化方向 (透振方向透振方向) 检偏：用偏振器件分析、检验光的偏振态检偏：用偏振器件分析、检验光的偏振态 起偏和检偏起偏和检偏起偏和检偏起偏和检偏起偏和检偏起偏和检偏I?P待检光待检光2.2 思思 考考 I I 不变不变待检光是什么光待检光是什么光 I I 变，有消光变，有消光待检光是什么光待检光是什么光 I I 变，无消光变，无消光待检光待检光是什么光是什么光起偏和检偏起偏和检偏2. 马吕斯定律马吕斯定律P I0IP E0 E=E0cos , 2 0 0EI 20cosII 0max0III ， 02 I， 马吕斯定

5、律（马吕斯定律（18091809）消光消光 2 2 0 2 cos EEI 2. 马吕斯定律马吕斯定律 例题例题 用两偏振片平行放置作为起偏器和检偏器。在用两偏振片平行放置作为起偏器和检偏器。在它们的偏振化方向成它们的偏振化方向成30300 0角时，观测一光源，又在成角时，观测一光源，又在成60600 0角角时，观察同一位置处的另一光源，两次所得的强度相等。时，观察同一位置处的另一光源，两次所得的强度相等。求两光源照到起偏器上光强之比。求两光源照到起偏器上光强之比。解解 : : 令令I I1 1和和I I2 2分别为两光源照到起偏器上的光强。分别为两光源照到起偏器上的光强。透过起偏器后，光的强

6、度分别为透过起偏器后，光的强度分别为I I1 1/2/2和和I I2 2 /2 /2。按照。按照马吕斯定律，透过检偏器后光的强度为马吕斯定律，透过检偏器后光的强度为60cos22212II 所以所以30cos21211II 但按题意但按题意21II 60cos30cos2221II 即即3130cos60cos43412221 II 马吕斯定律马吕斯定律5-3 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振 1. 反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振自然光反射和折射自然光反射和折射后产生部分偏振光后产生部分偏振光n1n2i irn1n2i0i0r0线偏振光线偏振光S自然光以自然光以 入射后反入射

7、后反 射光为完全偏振光射光为完全偏振光 起偏振角起偏振角0i0i2. 布儒斯特定律布儒斯特定律实验证明：实验证明：i = i0 时，反射光只有时，反射光只有S分量分量i 0 布儒斯特角或布儒斯特角或 起偏角起偏角并且并且 i0 +r0 = 90O 由由 020201cossinsininrnin有有 布儒斯特定律布儒斯特定律 (1812(1812年年) )21120tgnnnin1n2i0i0r0线偏振光线偏振光S反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振 对空气与玻璃组合的情况，对空气与玻璃组合的情况， n n1 1 =1.00 =1.00 ( (空气空气) )，若，若n n2 2 =1.50

8、 (=1.50 (玻璃玻璃) )，则：，则：互余互余空气空气玻璃玻璃玻璃玻璃空气空气 423350. 100. 1tg 185600. 150. 1tg1010ii 反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振外腔式激光器谐振腔外腔式激光器谐振腔布儒斯特窗布儒斯特窗 i0i0激光输出激光输出M1M2i0i03. 应用举例应用举例3.1 激光器谐振腔激光器谐振腔反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振玻璃片堆：用以增大反射光的强度和折射光玻璃片堆：用以增大反射光的强度和折射光 的偏振化程度。的偏振化程度。当当i i = =i i0 0时，反射光强度时，反射光强度I I和反射光的强度和反射光的强度I

9、I 之比为之比为)(sin21 020riII自然光从空气自然光从空气玻璃玻璃%7 0IIi0( (接近线偏振光接近线偏振光) ) 玻璃片堆玻璃片堆3.2 玻璃片堆玻璃片堆反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振 3.2 玻璃片堆玻璃片堆检偏检偏若反射光光强不变则入射光是若反射光光强不变则入射光是自然光自然光若反射光光强变且有消光则入若反射光光强变且有消光则入射光是线偏振光射光是线偏振光i0 若反射光光强变且无消光则入若反射光光强变且无消光则入射光是部分偏振光射光是部分偏振光 让待检光以布儒斯特角让待检光以布儒斯特角 入射到界面上，以入射入射到界面上，以入射线为轴旋转界面（保持线为轴旋转界面（

10、保持 不变）不变）0i0ii ( (接近线偏振光接近线偏振光) )反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振 3.2 玻璃片堆玻璃片堆检偏检偏若反射光光强不变则入射光是若反射光光强不变则入射光是自然光自然光若反射光光强变且有消光则入若反射光光强变且有消光则入射光是线偏振光射光是线偏振光i0 若反射光光强变且无消光则入若反射光光强变且无消光则入射光是部分偏振光射光是部分偏振光 让待检光以布儒斯特角让待检光以布儒斯特角 入射到界面上，以入射入射到界面上，以入射线为轴旋转界面（保持线为轴旋转界面（保持 不变）不变）0i0ii ( (接近线偏振光接近线偏振光) )反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振

11、5-4 5-4 光的双折射光的双折射1. 寻常光和非常光寻常光和非常光 一束入射光经某些一束入射光经某些晶体折射后可分成两束晶体折射后可分成两束光线的现象称为双折射。光线的现象称为双折射。 实验表明，双折射现象中的两束折射光线实验表明，双折射现象中的两束折射光线都是都是线偏振光，分别称为寻常光和非常光线偏振光，分别称为寻常光和非常光。双折射现象双折射现象n1n2irore(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光o光光e光光寻常光（寻常光（o o光）：光）： 遵从折射定律遵从折射定律orninsinsin21 非常光（非常光（e e光）光） : : 一般不遵从折射定律一般不遵从折射定律const

12、riesinsin注意：注意：e 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。寻常光和非常光寻常光和非常光2. 光轴光轴 主平面主平面 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时将不发生当光在晶体内沿某个特殊方向传播时将不发生 双折射，该方向称为晶体的光轴。双折射，该方向称为晶体的光轴。 光轴是一特殊的方向光轴是一特殊的方向, ,凡平行于凡平行于 此方向的直线均为光轴。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AB光光轴轴102方解石晶体方解石晶体 ( (冰洲石冰洲石) )主平面：主平面：晶体中光的传

13、播方向与晶体光轴构成的晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的 平面。平面。o光光光轴光轴o o光的光的主平面主平面e光光光轴光轴e e光的光的主平面主平面o o 光垂直于主平面光垂直于主平面e e 光平行于主平面光平行于主平面光的主平面光的主平面晶体的主折射率晶体的主折射率: :因因o o、e e光速率与传播方向有关，故光速率与传播方向有关，故3. 单轴晶体的子波波阵面单轴晶体的子波波阵面o o光光: :oovcn e e光光: :eevcn 晶体中晶体中e e光的主折射率光的主折射率o o 波面波面e e 波面波面光轴光轴ve tvo tvo t光轴光轴晶体中晶体中o o光的主折射率光的主折射率

14、正晶体正晶体负晶体负晶体 正晶体正晶体 : : ne no负晶体负晶体 : : ne ve) 负晶体负晶体 (vo ve ) 子波源子波源( e o)单轴晶体的子波波阵面单轴晶体的子波波阵面4. 惠更斯原理在双折射现象中的应用惠更斯原理在双折射现象中的应用 确定波阵面的作图法确定波阵面的作图法4.1 4.1 光轴平行于晶体表面，自然光垂直入射光轴平行于晶体表面，自然光垂直入射 e oe o光轴光轴方解石晶体方解石晶体 o o、e e 光在方向上虽没分开，但速度上是分开的。光在方向上虽没分开，但速度上是分开的。4.2 光轴平行于晶体表面且垂直于入射面，光轴平行于晶体表面且垂直于入射面， 自然光斜

15、入射自然光斜入射方解石晶体方解石晶体 光轴光轴ir0reo ot e eteo ectnrooci0sinsin nreeeci sinsin惠更斯原理在双折射现象中的应用惠更斯原理在双折射现象中的应用4.3 光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射此时此时e e光的波面不再与其波线垂直了。光的波面不再与其波线垂直了。o e晶体晶体光轴光轴 e方解石方解石光轴光轴o eo惠更斯原理在双折射现象中的应用惠更斯原理在双折射现象中的应用5. 晶体偏振器械晶体偏振器械68ACNM906848 ACNMeeo尼科耳棱镜尼科耳棱镜5. 晶体偏振器械晶体偏振器械沃拉斯顿棱镜沃拉斯

16、顿棱镜12方解石方解石方解石方解石 oe光轴光轴光轴光轴6. 晶体的二向色性和偏振片晶体的二向色性和偏振片 利用晶体的二向色性，可获得线偏振光。利用晶体的二向色性，可获得线偏振光。 光轴光轴e光光电气石电气石光轴光轴 某些晶体对某些晶体对o o光和光和e e光的吸收有很大差异，这叫光的吸收有很大差异，这叫晶体的二向色性。晶体的二向色性。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圆偏振光和椭圆偏振光圆偏振光和椭圆偏振光(P235)(P235) 5-5 椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光1. 椭圆偏振光和圆偏振光的获得方法椭圆偏振光和圆偏振光的获得方法 d双折射晶片双折射晶片C C

17、 单色单色自然光自然光偏振片偏振片P P1 1偏振化方向偏振化方向光轴方向光轴方向椭圆偏振光椭圆偏振光)(20ennd透过双折射晶片后，透过双折射晶片后，o o光和光和e e光的相位差为光的相位差为ko o光和光和e e光叠加后仍为线光叠加后仍为线偏振光；偏振光；ko o光和光和e e光叠加后成为椭圆光叠加后成为椭圆偏振光。偏振光。椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光 2. 波片波片( (又称相位延迟片又称相位延迟片) ) 波片波片是按一定要求切割（例如光轴平行于表面）是按一定要求切割（例如光轴平行于表面）的晶体薄片的晶体薄片。ydxAAoAe 线偏振光线偏振光光轴光轴 通过厚为通过厚为d

18、 d 的晶片，的晶片，o o、e e光产生相位差：光产生相位差： 2 dnnoeAAoAe 光轴光轴P 椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光 从晶片出射的是两束传播方相同、振动方从晶片出射的是两束传播方相同、振动方向相互垂直、频率相等、相位差为向相互垂直、频率相等、相位差为 的线偏振的线偏振光，它们合成为一束椭圆偏振光。光，它们合成为一束椭圆偏振光。,4 23,2 时为圆偏振光时为圆偏振光cossinAAAAeo o o光和光和e e光的振幅，与光的振幅，与晶片光轴和入射的晶片光轴和入射的线偏线偏振光振动方向振光振动方向的夹角的夹角 有关有关：椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光 (1

19、) (1) 四分之一波片四分之一波片24 dnnoe4 线偏振光线偏振光圆偏振光圆偏振光2 , 0 线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）240 ， 线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光 (2) (2) 二分之一波片二分之一波片 2dnnoe使线偏振光振动面转过使线偏振光振动面转过2 2 角度。角度。 A0入入A0出出A入入A出出Ae入入= Ae出入出入光轴光轴椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光 （3 3） 椭圆偏振光与圆偏振光的检偏椭圆偏振光与圆偏振光的检偏(P241)(P24

20、1)用四分之一波片和偏振片用四分之一波片和偏振片P P 可区分出可区分出入射光是入射光是 自然光或圆偏振光自然光或圆偏振光 部分偏振光或椭圆偏振光部分偏振光或椭圆偏振光d偏振片偏振片P P光轴方向光轴方向入射光入射光波片41椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光 四分之一波片四分之一波片圆偏振光圆偏振光自然光自然光自然光自然光线偏振光线偏振光 偏振片（转动偏振片（转动）线偏振光线偏振光 I I不变不变线偏振光线偏振光I I变变, , 有消光有消光以入射光方向为轴以入射光方向为轴 四分之一波片四分之一波片椭圆偏振光椭圆偏振光部分偏振光部分偏振光线偏振光线偏振光 偏振片（转动）偏振片（转动）线偏

21、振光线偏振光I I变变, , 有消光有消光 部分部分偏振光偏振光光轴平行于最大光强或最小光强方向放置光轴平行于最大光强或最小光强方向放置光轴平行于椭圆偏振光的长轴或短轴放置光轴平行于椭圆偏振光的长轴或短轴放置线偏振光线偏振光I I变变, , 无消光无消光椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光 练习:P268,5.125-6 5-6 旋光现象旋光现象1. 物质的旋光性物质的旋光性 当线偏振光通过某些透明物质时，其振动面将当线偏振光通过某些透明物质时，其振动面将以光的传播方向为轴发生旋转，这称为以光的传播方向为轴发生旋转，这称为旋光现象。旋光现象。 旋光物质旋光物质da旋转的角度旋转的角度 d 旋光率旋光率a2. 2. 量糖术量糖术对糖溶液、松节油等液体，有对糖溶液、松节油等液体，有dca aca 溶液的旋光率溶液的旋光率c c 溶液的浓度溶液的浓度 溶液的比旋光率溶液的比旋光率a “量糖计量糖计”3. 磁致旋光磁致旋光(法拉第旋光效应法拉第旋光效应,1846年年)历史上有重大意义历史上有重大意义,第一次说明光和电磁之间第一次说明光和电磁之间的关系的关系VlBl：样品样品长度长度B：磁感应强度磁感应强度V：费尔德常量费尔德常量电磁铁电磁铁样品样品P1P2例例 试设计三种使偏振光的振动面转过试设计三种