第十四章光学-偏振

第四部分光的偏振*§14-18

偏振光的干涉及应用*§14-17

光的双折射现象§14-16

反射和折射时光的偏振§14-15

自然光和偏振光光的横波性质马吕斯定律*§14-19

全息照相简介光波是一种电磁波传播方向能够引起感光作用和生理作用的是电场矢量电振动、磁振动和光传播方向的相互关系§14-15

自然光和偏振光光的横波性质马吕斯定律电磁波是变化电场和变化磁场的传播过程电场矢量称为光矢量矢量的振动称为光振动1.自然光

各方向上光振动的振幅相等的光自然光所有光矢量都分一、自然光和偏振光两分量大小一般不等各方向光振动振幅相等x传播方向yyx传播方向所有光矢量的分量叠加综合效果每一光矢量都可分解振动方向相互垂直的分振动则可表示为两个振幅相等、解到相互垂直的这两个方向2.

线偏振光传播方向传播方向传播方向传播方向3.部分偏振光只在一个固定方向有光振动两方向的振幅不等但是所有光矢量都分解到两相互垂直的方向后所有各方向都有光振动4.

自然光、线偏振光和部分偏振光的图像表示振动垂直纸面的线偏振光振动平行纸面的线偏振光平行纸面的光振动较强的部分偏振光垂直纸面的光振动较强的部分偏振光自然光各方向振动强度相同5、圆偏振光和椭圆偏振光

右旋圆偏振光右旋椭圆偏振光

在垂直光传播方向的平面内,光矢量按一定频率旋转(左旋或右旋).光矢量端点的轨迹为圆是圆偏振光,光矢量端点的轨迹为椭圆是椭圆偏振光.

从振动的合成知,圆偏振光或椭圆偏振光是由两个振动方向相互垂直,具有一定相位差的分振动合成.

本书只涉及线偏振光和部分偏振光.绳上横波通过狭缝显示出横波特性二、起偏和检偏光的横波性质狭缝与振动同方向狭缝与振动方向垂直光源自然光起偏器检偏器线偏振光偏振化方向偏振化方向把自然光变为偏振光的装置称为起偏器

自然光不能显示光的横波特性偏振片其他方向的光振动自然光线偏振光偏振化方向一些天然晶体和人造薄膜可以把自然光变为偏振光，称为偏振片允许光振动通过的方向称为偏振片的偏振化方向偏振片仅容许某一特定方向的光振动通过而吸收电气石晶片偏振眼镜旋转偏振片，可以检测入射光的偏振特性两偏振片偏振化方向平行两偏振片偏振化方向垂直偏振片作为起偏器也能检测入射光的偏振特性，即作为检偏器此时无透射光如果透射光强有两个位置等于零当偏振片以光线为轴转动时检偏方法与结果判断：如果透射光强恒为入射光光强的一半如果透射光强周期性变化入射光是自然光入射光是偏振光或部分偏振光入射光为全偏振光（线偏振光）全偏振光·····自然光最亮·····自然光最暗起偏器检偏器全偏振光

光的横波性

纵波的振动方向与传播方向相同，因而纵波有绕传播方向的对称性.横波的振动方向与传播方向垂直，没有绕传播方向的对称性.自然光，在一切方向上都有光振动，产生了绕传播方向的对称性，掩盖了光波的横向振动的本性.可用前面讨论过的装置考察光的横波性.

图中用起偏器获得偏振光,检偏器旋转时可看到视场中光强的明暗变化.表明只有在光振动矢量的振动方向与检偏器的偏振化方向相同时,光矢量才允许通过,因而光波没有绕传播方向的对称性,证实光是横波.三、马吕斯定律光强为I0的线偏振光入射到偏振片光振动的分解偏振化方向入射光振动方向A0I0I传播方向偏振片入射光振动方向透射光振动方向偏振化方向透射光的光强为若振动方向与偏器片的偏振化方向间的夹角是

透射光强最大透射光强为零自然光通过偏振片I0I传播方向偏振片透射光振动方向偏振化方向自然光

例两个偏振片叠在一起，在它们的偏振化方向成1=30°时，观测一束单色自然光，又在2=45°时，观测另一束单色自然光.若两次观测得的透射光强度相等，求两次入射自然光的强度之比。解:•••••当自然光在两种介质分界面上反射、折射时通常反射光、折射光法线自然光入射平行于入射面振动较强垂直于入射面振动较强n1n2§14-16

反射和折射时光的偏振会发生偏振现象可以是全偏振光在一定条件下反射光都是部分偏振光反射光和折射光反射光为全偏振光，i0称为起偏角（布儒斯特角）法线自然光i0角入射部分偏振光全偏振光n1n2——布儒斯特定律即满足当入射角等于特定值i0

与入射角i有关偏振化程度反射光线与折射光线垂直光从空气射向玻璃时

可以证明，当入射角等于全偏振角i0

时自然光全偏振光法线偏振片自然光以全偏振角从空气射向普通玻璃玻璃片堆自然光全偏振光部分偏振光接近全偏振光为了增大折射光的偏振化程度，可使用玻璃片堆入射光中垂直振动的能量只有约15%被反射

照相机偏振镜的应用未加偏振镜，强反射景象加偏振镜后，获透射景象入射光经各向异性介质一、双折射现象o光e光晶体分为两束二、寻常光和非常光

非常光（e光）

寻常光（o光）

*§14-17

光的双折射现象等）折射后分成两束的现象（石英晶体，方解石晶体折射率为常数，其折射光线总在入射面内折射光线遵守折射定律折射率不为常数，其折射线不一定在入射面内折射光线不遵守折射定律三、光轴主平面主截面光轴产生双折射的原因：102o102o方解石晶体的光轴光轴102oAB此方向称为晶体的光轴与非寻常光传播速度相等沿晶体中某方向寻常光而非常光的传播速度随方向而变化寻常光沿晶体中各个方向的传播速度相同单轴晶体只有一个光轴的晶体双轴晶体有两个光轴的晶体光轴o、e

光主平面

晶体中光的传播方向主截面晶体表面法线入射光光轴折射光光轴法线折射光入射光主平面主截面与晶体光轴构成的平面与晶体光轴构成的平面o光与

e光的实验表明：o光光轴o光的主平面e光光轴e光的主平面o光的振动方向垂直于自己的主平面e光的振动平行于自己的主平面o光和

e光都是线偏振光当入射光的入射面和晶体的主截面重合时振动方向相互垂直主平面相重合四、正单轴晶体、负单轴晶体ve为e光在垂直于光轴方向上的传播速度c为真空中的光速则设vo

为o光传播速度（o光沿各个方向的传播速度都相同）vevO光轴vevO光轴双折射晶体中的波面正晶体负晶体e光在晶体内形成的子波波振面

o光在晶体内形成的子波波振面是球面（e光沿各个方向传播的速度不相同）是以光轴为轴的旋转椭球面用作图法可以确定o光和e光在晶体内的传播方向光轴平行晶体表面，自然光垂直入射

o、e光在传播方向上虽相同，但速度不相等光轴o光e光五、惠更斯原理在双折射现象中的应用

以方解石为例，光轴平行晶体表面光轴io

voΔtveΔteo

ecΔt且垂直入射面，自然光斜入射光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射光轴o光e光此时e光的波面不再与其波射线垂直了

格兰——汤普森棱镜由两块光轴平行于底面的方解石直角棱镜组成，两棱镜的斜面相对胶合在一起。胶的折射率大于ne，小于no，同时令θ角大于o光在胶合面上的临界角。o光e光θθ光轴光轴光轴光轴胶合面o光e光六、格兰——汤普森棱镜一、椭圆偏振光和圆偏振光d晶片C

单色自然光偏振片P1偏振化方向光轴方向AeAo*§14-18

偏振光的干涉及其应用线偏振光射向晶片C后，在晶体内分成o光、e光，相应的相位差为设出射C后两束偏振光的光矢量分别为和则且AAoAe光轴所以若合成光为线偏振光合成光为直椭圆偏振光合成光为斜椭圆偏振光合成为圆偏振光

1/4波片d光轴方向AeAo二、波片波片是厚度均匀，光轴与表面平行的晶体薄片能使o光、e光出射时产生(2k+1)/2的相位差因为所以说明：●一束偏振光通过1/4波片后，出射的偏振状态由（线偏振光振动方向与波片光轴的夹角）确定。当

=0º(或90º)时，出射线偏振光；当

=45º时，出射圆偏振光；为其他值时，出射光为椭圆偏振光●椭圆偏振光（圆偏振光），经1/4波片后，变为线偏振光如图，线偏振光通过半波片后，出射光仍为线偏振光，但其振动方向却移过

2

角Ae出=Ae入AO入AO出A入A出光轴

1/2波片：能使线偏振光出射时的两束线偏振光产生

(2k+1)的相位差，这样的波片称为1/2波片单色自然光经P1后成为线偏振光，通过C后，又成为两束不相干的线偏振光，再经P2后，就成为频率相同，振动方向相同而相位差恒定的相干光，从而产生偏振光干涉d晶片C

单色自然光偏振片P1偏振化方向光轴方向AeAo光轴方向偏振片P2三、偏振光的干涉通过P2两束相关光的振幅分别为产生o光、e光两束光在晶体P2中产生的相位差通过P1产生o光、e光P2P1CA1AeAoA2oA2e由于A1o与A2e方向相反，产生附加相位差说明：在偏振光干涉中屏幕上的明暗由晶体厚度d

决定

对一定波长的入射光来说

用白光进行实验时在晶体中厚度均匀的情况下屏上出现一定色彩合成的混合色这称为显色偏振四、光弹效应(应力双折射效应)应力→各向异性→v

各向不同→n各向不同介质可由各向同性变为各向异性，产生双折射P1P2·dFSF干涉有机玻璃C这种现象称为光弹性效应

在机械应力作用下各处不同变导致

改变，引起干涉情况变在一定应力范围内：导致各处不同从而出现干涉条纹加外力前加外力后五、旋光现象当一束完全偏振光通过旋光物质时，其振动面会旋转一定角度，这种现象称为旋光现象

Δj旋光物质

l其中：a

为旋光率测定糖浓度的糖量计就是据此原理制成的实验证明，旋光物质对线偏振光振动面的旋转角度对于有旋光性的液体，α与液体的浓度c成正比与在物质中通过的距离成正比六、克尔效应与泡克耳效应由于弛豫时间短（10-9s），可以作为高速光闸用途：且o光与e光的折射率之差满足：克尔效应：某些液体在外加电场E

的作用下出现双折射现象液体电场且o光与e光的折射率之差满足：泡克耳效应：某些晶体在外加电场E

的作用下出现双折射现象磁性薄膜检偏器起偏器聚焦透镜激光器信号放大器信号输出磁光盘信息读出装置七、磁旋光效应

当一束线偏振光照射在被磁化的界面上，其反射光或透射光的偏振面发生旋转，