第十八章 偏振

第十八章偏振第1页，共48页，2023年，2月20日，星期三*§18-14偏振光的干涉及应用§18-13光的双折射现象§18-12反射和折射时光的偏振§18-11自然光和偏振光光的横波性质马吕斯定律第2页，共48页，2023年，2月20日，星期三教学基本要求1.理解自然光和偏振光。3.了解偏振光的获得方法和检验方法。4.了解双折射现象。2.理解布儒斯特定律和马吕斯定律。第3页，共48页，2023年，2月20日，星期三光波是一种电磁波，电磁波是变化电场和变化磁场的传播过程。传播方向能够引起感光作用和生理作用的是电场矢量。电场矢量称为光矢量，矢量的振动称为光振动。电振动、磁振动和光传播方向的相互关系§18-11自然光和偏振光光的横波性质马吕斯定律第4页，共48页，2023年，2月20日，星期三1.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解到相互垂直的这两个方向，则可表示为两个振幅相等、振动方向相互垂直的分振动。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每一光矢量都可分解x传播方向yyx传播方向所有光矢量的分量叠加综合效果第5页，共48页，2023年，2月20日，星期三2.

线偏振光只在一个固定方向有光振动传播方向传播方向传播方向传播方向3.部分偏振光所有各方向都有光振动，所有光矢量都分解到相互垂直的方向后，两方向的振幅不等。第6页，共48页，2023年，2月20日，星期三4.

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振动与纸面成角度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第7页，共48页，2023年，2月20日，星期三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自然光不能显示光的横波特性，把自然光变为偏振光的装置称为起偏器。第8页，共48页，2023年，2月20日，星期三偏振片偏振片仅容许某一特定方向的光振动通过，而吸收其他方向的光振动。偏振片允许光振动通过的方向称为偏振片的偏振化方向。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。第9页，共48页，2023年，2月20日，星期三偏振片作为起偏器，也能检测入射光的偏振特性，即作为检偏器。偏振眼镜旋转偏振片，可以检测入射光的偏振特性此时无透射光两偏振片偏振化方向平行两偏振片偏振化方向垂直第10页，共48页，2023年，2月20日，星期三如果透射光强有两个位置等于零，入射光为全偏振光（线偏振光）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，入射光是自然光如果透射光强周期性变化，入射光是偏振光或部分偏振光第11页，共48页，2023年，2月20日，星期三三.马吕斯定律光强为I0的线偏振光入射到偏振片，若振动方向与偏器片的偏振化方向间的夹角是，透射光的光强为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第12页，共48页，2023年，2月20日，星期三透射光强最大；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第13页，共48页，2023年，2月20日，星期三当自然光在两种介质分界面上反射、折射时，会发生偏振现象。

反射光、折射光都是部分偏振光，在一定条件下反射光可以是全偏振光。分界面法线与入射线构成的平面称为入射面。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§18-12反射和折射时光的偏振第14页，共48页，2023年，2月20日，星期三反射光和折射光的偏振化程度与入射角i有关。当入射角i等于某一特定值i0，即反射光为全偏振光，i0称为起偏角（布儒斯特角）———布儒斯特定律法线自然光i0角入射部分偏振光全偏振光n1n2第15页，共48页，2023年，2月20日，星期三可以证明，当入射角等于全偏振角i0时，反射光线与折射光线垂直。光从空气射向玻璃时，自然光全偏振光法线偏振片第16页，共48页，2023年，2月20日，星期三自然光以全偏振角从空气射向普通玻璃，入射光中垂直振动的能量只有约15%被反射，为了增大折射光的偏振化程度，可使用玻璃片堆。玻璃片堆自然光全偏振光部分偏振光接近全偏振光第17页，共48页，2023年，2月20日，星期三照相机偏振镜的应用未加偏振镜，强反射景象加偏振镜后，获透射景象第18页，共48页，2023年，2月20日，星期三入射光经各向异性介质（如石英晶体，方解石晶体等）折射后分成两束的现象。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）折射光线不遵守折射定律，折射率不为常数，其折射线不一定在入射面内

寻常光（o光）折射光线遵守折射定律，折射率为常数，其折射光线总在入射面内§18-13光的双折射现象第19页，共48页，2023年，2月20日，星期三三.光轴主平面主截面光轴

沿晶体中某方向寻常光与非寻常光传播速度相等，此方向称为晶体的光轴。产生双折射的原因：寻常光沿晶体中各个方向的传播速度相同，而非常光的传播速度随方向而变化。102o102o方解石晶体的光轴光轴102oAB第20页，共48页，2023年，2月20日，星期三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与晶体光轴构成的平面。主截面晶体表面法线与晶体光轴构成的平面。入射光光轴折射光光轴法线折射光入射光主平面主截面第21页，共48页，2023年，2月20日，星期三o

光和e

光都是线偏振光，但o

光的振动方向垂直于自己的主平面，而e光的振动平行于自己的主平面。当入射光的入射面和晶体的主截面重合时，o光与e光的主平面相重合，o光与e光的振动方向相互垂直。实验表明：o光光轴o光的主平面e光光轴e光的主平面第22页，共48页，2023年，2月20日，星期三四.正单轴晶体、负单轴晶体

设vo为o光传播速度，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，则第23页，共48页，2023年，2月20日，星期三o光在晶体内形成的子波波振面是球面（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是以光轴为轴的旋转椭球面（e光沿各个方向传播的速度不相同）第24页，共48页，2023年，2月20日，星期三以方解石为例，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第25页，共48页，2023年，2月20日，星期三光轴平行晶体表面，且垂直入射面，自然光斜入射光轴io

voΔtveΔteo

ecΔt第26页，共48页，2023年，2月20日，星期三此时e光的波面不再与其波射线垂直了光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射光轴o光e光第27页，共48页，2023年，2月20日，星期三自然光沿长边方向入射，出射光为振动方向与主截面平行的线偏振光。尼科耳棱镜既可作起偏器，又可做检偏器。22°68°光轴方解石oeoe六.尼科耳棱镜第28页，共48页，2023年，2月20日，星期三格兰——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光七.格兰——汤普森棱镜第29页，共48页，2023年，2月20日，星期三一.椭圆偏振光和圆偏振光如图线偏振光射向晶片C后，在晶体内分成o光、e光，相应的相位差为d晶片C

单色自然光偏振片P1偏振化方向光轴方向AeAo*§18-14偏振光的干涉及其应用第30页，共48页，2023年，2月20日，星期三设出射C后两束偏振光的光矢量分别为和则且AAoAe光轴第31页，共48页，2023年，2月20日，星期三所以若：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第32页，共48页，2023年，2月20日，星期三第33页，共48页，2023年，2月20日，星期三1/4波片：能使o光、e光出射时产生(2k+1)/2的相位差的波片。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第34页，共48页，2023年，2月20日，星期三说明：●一束偏振光通过/4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=0°（或90°）时，出射线偏振光；当=45°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/4片后，变为线偏振光第35页，共48页，2023年，2月20日，星期三如图，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½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1/4波片。第36页，共48页，2023年，2月20日，星期三单色自然光经P1后成为线偏振光，通过P2

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.偏振光的干涉第37页，共48页，2023年，2月20日，星期三通过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第38页，共48页，2023年，2月20日，星期三由于A1O与A2e方向相反，产生附加相位差第39页，共48页，2023年，2月20日，星期三说明：在偏振光干涉中●对一定波长的入射光来说，屏幕上的明暗由晶体厚度d决定；●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。第40页，共48页，2023年，2月20日，星期三四.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

在机械应力作用下，介质可由各向同性变为各向异性，从而产生双折射，这种现象称为光弹性效应。P1P2·dFSF干涉有机玻璃C第41页，共48页，2023年，2月20日，星期三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第42页，共48页，2023年，2月20日，星期三加外力前加外