大学物理-光的偏振

§5.1光的偏振状态§5.2线偏振光的获得与检验§5.3反射和折射光的偏振§5.4双折射现象§5.5椭圆偏振光和圆偏振光§5.6偏振光的干涉§5.7人工双折射§5.8旋光现象第5章光的偏振§5.1

光的偏振状态一.完全偏振光1.线偏振光光的偏振性说明了:光是横波。面对光的传播方向看空间各点光矢量的振动方向在同一平面内。播传方向振动面偏振:振动方向对传播方向的不对称性线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：EEyEx

yx表示法：·····光振动垂直板面光振动平行板面线偏振光可以看成两个相互垂直的同频率的简谐光振动的合成，它们的相位差是2.圆偏振光光矢量的大小不变，但其方向绕传播方向匀速转动，这样的光称为圆偏振光。

y

yx

z传播方向

/2xE

0迎着光的传播方向看,任一固定点（z为定值）处，的矢端轨迹是一个右旋的圆。右旋圆偏振光随z的变化右旋（迎光看）左旋（迎光看）xyExEy0xyExEy0圆偏振光是怎么产生的呢？频率相同、传播方向一致、振动方向相互垂直、相位差、且振幅相等的两束线偏振光可以叠加成圆偏振光。右旋圆偏振光的合成。反之，线偏振光则可以看成是两束频率相同、相位相同、振幅相同、传播方向亦相同的左、·3.椭圆偏振光椭圆偏振光与圆偏振光完全类似，区别仅在于不同，椭圆形状、旋向也不同。

=3/2

=5/4

=7/4

=

=/2

=/4

=0yx

=3/4回顾二.自然光大量振幅相同、各种振动方向都有、彼此没有固定相位关系的光矢量的组合叫非偏振光或自然光。我们设想把每个波列的光矢量都沿x、y

轴分解，然后将所有波列光矢量的x分量叠加起来，成为总光波光矢量的x分量Ex.yxz自然光的表示法总光强

——非相干叠加自然光可以分解为两个振动方向互相垂直的、等振幅的、不相干的线偏振光。用同样办法得到总光波光矢量的

y

分量Ey

注意：这里的Ex

和Ey是独立的振动,

无固定相位关系；

EyEx或三.部分偏振光表示法：自然光和完全偏振光的混合，就构成了部分最常讨论的部分偏振光可看成是自然光和线偏振光的混合，偏振光。分解非相干平行板面的光振动较强········垂直板面的光振动较强反射光就是这种部分偏振光，天空的散射光和水面的它可以分解如下：四.偏振度Ip—部分偏振光中包含的完全偏振光的强度It—部分偏振光的总强度In—部分偏振光中包含的自然光的强度完全偏振光（线、圆、椭圆）

P=1自然光（非偏振光）

P=0部分偏振光

0<P<1

偏振度：§5.2线偏振光的获得与检验一.起偏

▲起偏的原理：利用某种光学的不对称性

▲偏振片（Polaroid）（获得线偏振光）微晶型：分子型：z线栅起偏器入射电磁波

▲起偏器:起偏的光学器件·非偏振光线偏振光光轴电气石晶片··——从自然光获得偏振光非偏振光I0线偏振光IP偏振化方向（通光方向）二.马吕斯定律PE0E=E0cos

▲

线偏振光的起偏：···振幅关系：E=E0cosI0IPE0马吕斯定律（1809）—消光三.线偏振光的检偏检偏：用偏振器件检验光的偏振态I?P待检光

若I不变？是什么光

若I变，有消光？是什么光

若I变，无消光？是什么光思考设入射光可能是自然光或线偏振光或部分偏振光旋转【演示】线偏振光的起偏和检偏各种偏振态的光通过旋转偏振片后的光强变化非偏振I不变线偏振I变、有消光圆偏振I不变椭圆偏振I变、无消光部分偏振A：非偏振＋线偏振I变、无消光B：非偏振＋圆偏振I不变C：非偏振＋椭圆偏振I变、无消光只用偏振片无法区别（1）非偏振光、圆偏振光、部分偏振光B（2）椭圆偏振光、部分偏振光A和C一.反射和折射时光的偏振反射光垂直入射面的分量（S）比例大，折射光平行入射面的分量（P）比例大，入射角i变反射、折射光的偏振度也变。入射面n1n2iir§5.3

反射和折射光的偏振i=i0时，反射光只有S分量i0

—布儒斯特角或

起偏角i0

+r0=90

由

有—布儒斯特定律反射光情况如何?

思考这时自然光沿折射线反向入射产生的n1n2i0r0i0S线偏振光▲外腔式激光管加装布儒斯特窗减少反射损失。则：例n1

=1.00（空气），n2=1.50（玻璃），·i0···········i0i0·激光输出布儒斯特窗M1M2·i0二.玻璃片堆起偏和检偏

1.起偏自然光从空气→玻璃：(透射光接近完全线偏振光强度几乎50%)(反射光是完全线偏振光强度几乎50%)················i0··············玻璃片堆空气→玻璃

玻璃→空气

【演示】玻璃片堆起偏

▲若反射光光强不变

入射光是自然光；

▲若反射光光强变且有消光

入射光是线偏振光；

▲若反射光光强变且无消光

入射光是部分偏振光。让待检验的光以布儒斯特角i0入射到界面上，保持i=i0不变，以入射线为轴旋转界面：2.检偏（不包括圆和椭圆偏振光）*三.散射光的偏振1.散射光的产生振荡电偶极子电磁辐射强度的角分布I(

)就形成了各方向都有的散射光。在入射光的激励下，媒质分子中的电子做受迫振动。这可视之为振动的电偶极子，围辐射电磁波（子波）。由于媒质不均匀等原因，破坏了子波波源间的确定相位关系，它们发的子波的非相干叠加，它向周

p2.散射光的偏振zxP

y入射自然光B散射光为部分偏振光散射光为线偏振光散射光为自然光天空大气散射的日光就是部分偏振光。P处发出的不同方向的偶极辐射有不同的偏振情况。例如沿B→P方向观察到的只是部分偏振光，其偏振度随角而变。

▲蜜蜂和某些鸟可辨别出大气散射光的偏振，▲多次散射可以把个别散射方向的不对称抵消，从而用来确定方向。从而可消除偏振。【演示】白光的散射蜡纸的多次散射消除偏振透过方解石晶体看字出现双像。象折射现方解石晶体双纸面折射现i一.双折射的概念1.双折射：n1n2rore(各向异性介质)自然光o光e光射到各向异性介质时，§5.4双折射现象一束光入折射光分成两束的现象。2.寻常（o）光和非常（e）光o光：遵从折射定律e光：一般不遵从折射定律e光折射线也不一定在入射面内。···方解石oeeo···以入射方向为轴旋转方解石双折射的两束光振动方向相互垂直3.

晶体的光轴当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发例如，方解石晶体

光轴是一个特殊的方向，单轴晶体：只有一个光轴的晶体，如方解石。双轴晶体：有两个光轴的晶体，如云毋。光轴AB102°78°该方向称为晶体的光轴。生双折射，凡平行于此方向的直线均为光轴4.主平面晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面o光光轴o光的主平面····e光光轴e光的主平面叫该束光的主平面。

一般来说，

o光主平面和

e光主平面并不重合。注：主截面

晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面。o光主平面和

e光主平面并不重合。光轴方向........光e光o例。.光面（垂直屏幕）主平e面（垂直屏幕）主光平o二.晶体的主折射率，正晶体、负晶体o光各方向传播的速度相同为v0，波面为球面,振动方向始终垂直其主平面。在各向异性的晶体中,子波源会同时发出o光、e光两种子波。·······················vot光轴··e光各方向传播速度不同。各方向都有相应的折射率。波面为椭球面,振动方向始终在其主平面内平行光轴方向上的速度与o光的速度相同,记为vo垂直光轴方向上的速度与o光的速度相差最大，记为ve，n0

，ne称为晶体的主折射率。光轴vetvot正晶体：负晶体：如方解石、红宝石等。子波源votvet光轴

正晶体

(vo>ve)晶体可分为两类：负晶体是椭球包球。ne＞no(ve＜vo)，如石英、冰等。ne＜no(ve＞vo)，votvet光轴

负晶体(vo<ve)子波源

ee三.单轴晶体中光传播的惠更斯作图法1.光轴平行晶体表面，自然光垂直入射··光轴晶体··

o、

e方向上虽没分开，以负晶体(ve

>vo)为例oo但速度上是分开的，这仍是双折射。····以惠更斯原理为依据的惠更斯作图法oe2.

光轴平行晶体表面，且垂直入射面····晶体光轴rei········voΔtveΔtoecΔt自然光斜入射在这种特殊的情况下，对e

光也可以用折射定律。r03.

光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射····

e方解石光轴··o此时e光的波面不再与其波射线垂直了。ooee······晶体光轴····这正是前面演示的情形。注意：§5.5

椭圆偏振光和圆偏振光一.晶体起偏器件

1.晶体的二向色性、晶体偏振器某些晶体对o光和e光的吸收有很大差异，例如，电气石对o光有强烈吸收，····光轴e光电气石光轴对e光吸收很弱，用它就可以产生线偏振光。这叫晶体的二向色性。2.

偏振棱镜利用偏振棱镜可获得高质量的线偏振光格兰-汤姆逊偏振棱镜光轴方解石oe吸收涂层i光轴方解石加拿大树胶(n=1.55)no

(1.6584)＞n

(1.55)＞ne(1.4864)

对棱镜是o光，是光密→光疏，i>临界角，o光全反射了，e

光可通过。沃拉斯顿偏光分束棱镜光从棱镜1进入棱镜2时，由于光轴转过了900光疏光密,折射角＜入射角得到分开的二束线偏振光no

(1.6584)＞ne(1.4864)光密光疏,射角＞入射角12方解石方解石光轴光轴eooeo光变成e光e光变成o光二.晶体相移器件，圆和椭圆偏振光的起偏1.晶片

—相位延迟片晶片是光轴平行表面的晶体薄片ydxAAoAe线偏振光光轴AAoAe光轴P

振幅关系：椭圆偏振光d光轴晶片从晶片出射的两束光由于出现相位差，而合成为一束椭圆偏振光。

通过厚为d的晶片，o、e光产生相位差为：则出射光为圆偏振光。若且ydxAAoAe线偏振光光轴椭圆偏振光d光轴晶片或圆偏振光

2.波（晶）片

（1）四分之一波片——线偏振光→圆偏振光——线偏振光→线偏振光可从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）（是对某个确定波长而言的）波片厚度满足——线偏振光→椭圆偏振光（2）二分之一波片可使线偏振光振动面转过2角度Ao入Ao出A入A出Ae入=Ae出光轴（3）全波片三.椭圆与圆偏振光的检偏用四分之一波片和偏振片可区分出自然光和或部分偏振光和椭圆偏振光。圆偏振光，四分之一波片圆偏振光自然光自然光线偏振光偏振片（转动）线偏振光

I不变线偏振光I变，有消光以入射光方向为轴四分之一波片椭圆偏振光部分偏振光线偏振光偏振片（转动）线偏振光I变，有消光部分偏振光光轴平行最大光强或最小光强方向放置线偏振光I变,无消光或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置§5.6

偏振光的干涉一.偏振光干涉装置偏振化方向偏振片P2

单色自然光偏振片P1偏振化方向d晶片C光轴方向二.偏振光干涉的分析1.振幅关系AoA2oP2P1CA1AeA2e在P2

后：相干在P1

后：屏通过晶体C后：此两束光合成为一束椭圆偏振光再通过P2

后：2.

相位关系（若P1、P2夹角小于，则无附加相位差）—相长干涉——相消干涉若单色光入射，则屏上为等厚条纹。且d不均匀，于某种颜色干涉相消，而呈现它的互补色，三.色偏振若白光入射，且晶片d均匀，若d不均匀，则屏上出现彩色条纹。红色（656.2nm）相消如：蓝色（485.4nm）相消则：屏上由这叫（显）色偏振。→绿色（492.1nm）→黄色（585.3nm）色偏振是检验材料有无双折射效应的灵敏方法，用显微镜观察各种材料在白光下的色偏振，可以分析物质内部的某些结构—偏光显微术。§5.7

人工双折射人为地造成各向异性，而产生双折射。一.光弹效应应力→各向异性在一定应力范围内：光弹效应也叫应力双折射效应。→v

各向不同→n各向不同FFP1P2··dS干涉有机玻璃C各处不同→各处不同→出现干涉条纹，模型的光弹图象吊钩的光弹图象变→变→干涉情况变。二.电光效应电光效应也叫电致双折射效应。1.克尔效应（1875年）45P2盒内充某种液体，如硝基苯（C6H5NO2）l+-克尔盒dP145

▲不加电场→液体各向同性→P2不透光；

▲

加电场→液体呈单轴晶体性质，光轴平行电场强度P2透光。

——二次电光效应k—克尔常数，U—

电压克尔效应引起的相位差为：则产生硝基苯，若l=3cm，d=0.8cm，对=600nm的黄光，时，克尔盒相当半波片，P2透光最强。。时的电压k=可作为光开关（响应时间109s），克尔盒的应用：克尔盒的缺点：和加数万伏的高电压，用于高速摄影、激光通讯、光速测距、脉冲激光系统硝基苯有毒，需要极高的纯度故现在很少用。易爆炸，2.泡克尔斯效应（1893年）。电光晶体+。-P1P2KK泡克尔斯盒··光传播方向与电场平行，电极K和K′透明，晶体是单轴晶体，

▲不加电场→P2

不透光。

▲

加电场→晶体变双轴晶体了双折射效应→原光轴方向附加→

P2

透光。光轴沿光传播方向。no—o光在晶体中的折射率；泡克尔斯效应引起的相位差：

——线性电光效应r—电光常数；时，P2透光最强。U—电压。超高速开关（响应时间小于109s），数据处理…显示技术，应用：三.磁致双折射科顿—穆顿效应：某些透明液体在磁场H作用下变为各向异性，HC——二次效应需要很强的磁场才能观察到。性质类似于单轴晶体，光轴平行磁场。§5.8旋光现象一.物质的旋光性除石英外，氯酸钠、乳酸、松节油、糖的

旋光物质

a

—旋光率

l1811年，法国物理学家阿喇果