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1、光在各向异性介质中及传播光光的的偏偏振振1、光光 的的 偏偏 振振 状状 态态线线 偏偏 振振 光光 的的 获获 得得波波 片片2、马马 吕吕 斯斯 定定 律律3、布儒斯特定律布儒斯特定律4、双双 折折 射射椭圆偏振光的获得椭圆偏振光的获得5、偏振态的检验偏振态的检验6、偏振光的干涉偏振光的干涉8.1 自然光和偏振光自然光和偏振光每一分子（原子）发光是随机的、无规每一分子（原子）发光是随机的、无规律的。律的。振动面取各方向的几率相等，振动面取各方向的几率相等，各波列间无相位关系。各波列间无相位关系。自然光等效看作两个相互垂直的光振动。自然光等效看作两个相互垂直的光振动。两个光振动具有相等的振幅
2、（强度），两个光振动具有相等的振幅（强度），两个光振动无固定相位关系。两个光振动无固定相位关系。xyz“”“”：平行振动分量（：平行振动分量（p 分量）分量）“”“”：垂直振动分量（：垂直振动分量（s 分量）分量）1、自然光：、自然光：2、部分偏振光：、部分偏振光：光矢量在某一方向的振动强于垂直于该方向的振动。光矢量在某一方向的振动强于垂直于该方向的振动。3、线偏振光（平面偏振光、完全偏振光）：、线偏振光（平面偏振光、完全偏振光）：光矢量的振动方向始终在一个平面内。光矢量的振动方向始终在一个平面内。右右 旋旋左左 旋旋圆（椭圆）偏振光可看成两个同频率、振动方向相互垂直、圆（椭圆）偏振光可看成两
3、个同频率、振动方向相互垂直、有固定相位差的线偏振光的合成。有固定相位差的线偏振光的合成。圆偏振和自然光、椭圆偏振光和部分偏振光的区别在于：圆圆偏振和自然光、椭圆偏振光和部分偏振光的区别在于：圆偏振光和椭圆偏振光相互垂直的两线偏振光是相位相关的；偏振光和椭圆偏振光相互垂直的两线偏振光是相位相关的；椭圆偏振光沿长、短轴分解时，两振动相位差为椭圆偏振光沿长、短轴分解时，两振动相位差为/2；而；而圆偏振光沿任意相互垂直方向分解时，两振动相位差都是圆偏振光沿任意相互垂直方向分解时，两振动相位差都是/2。8.2 偏振片、马吕斯定律：偏振片、马吕斯定律：例：绳波通过窄缝例：绳波通过窄缝时的情形。时的情形。电
4、气石晶体电气石晶体某些物质对不同方向的光振动有不同的吸收率（称为某些物质对不同方向的光振动有不同的吸收率（称为二向色性二向色性），可用），可用来制成来制成偏振片偏振片把自然光变为线偏振光。把自然光变为线偏振光。偏振片偏振片透振方向透振方向或或透光轴透光轴自然光自然光线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光无透射光无透射光起偏器起偏器检偏器检偏器检偏器检偏器偏振片的应用：偏振片的应用：将自然光变为线偏振光称为将自然光变为线偏振光称为起偏起偏。自然光通过起偏器后，透。自然光通过起偏器后，透射的线偏振光光强为入射光强的一半。射的线偏振光光强为入射光强的一半。偏振片用于判断入射光偏振状态时称为偏振片用于判断入
5、射光偏振状态时称为检偏检偏。线偏振光通过。线偏振光通过检偏器后，透射的线偏振光光强由检偏器后，透射的线偏振光光强由马吕斯定律马吕斯定律计算。计算。马吕斯定律：马吕斯定律：入射线偏振光入射线偏振光透射线偏振光光强透射线偏振光光强 I 和入射线偏振和入射线偏振光光强光光强 I0 之比为：之比为：所以：所以：时，时，当当当当时，时，例题例题 8-1：起偏器、检偏器的透光轴夹角起偏器、检偏器的透光轴夹角 1=30时观测时观测一束一束单单色自然光，色自然光，2=60时观测时观测另一束自然光，得两次透射光光另一束自然光，得两次透射光光强强相等。求两相等。求两束束单单色自然光的光色自然光的光强强之比。之比。
6、自然光自然光线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光起偏起偏检偏检偏解：解：设入射自然光光强分别为：设入射自然光光强分别为：I1、I2，通过检偏器后的光，通过检偏器后的光强分别为强分别为I1、I2 则：则：例题例题 8-2：一光束由线偏振光和自然光组合而成，当它通过一偏振一光束由线偏振光和自然光组合而成，当它通过一偏振片时，透射光的强度随偏振片的取向可以变化片时，透射光的强度随偏振片的取向可以变化5倍，求倍，求入射光束中这两个成分的相对强度。入射光束中这两个成分的相对强度。解：解：入射总光强为：入射总光强为：I=I线线+I自自通过检偏器后的最小光强为：通过检偏器后的最小光强为：通过检偏器后的最大光强为
7、：通过检偏器后的最大光强为：由题意：由题意：解得：解得：例题例题 8-3：透光轴相互垂直的两偏振片之间插入第三块偏振片，透光轴相互垂直的两偏振片之间插入第三块偏振片，求当透射光强为入射光强的求当透射光强为入射光强的 时，插入的一块偏振片时，插入的一块偏振片与第一块偏振片透光轴之间的夹角。与第一块偏振片透光轴之间的夹角。自然光自然光线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光解：解：设设 1、2 两偏两偏振片透光轴夹振片透光轴夹角为角为，则：，则：当当=45时：时：可见：利用偏振片的组合可以改变线偏振光的偏振化方向。可见：利用偏振片的组合可以改变线偏振光的偏振化方向。例题例题 8-4：使用若
8、干个偏振片，使一束线偏振光的振动面转过使用若干个偏振片，使一束线偏振光的振动面转过90。为为了使了使总总的光的光强强损损失小于失小于 5%，问问需要多少需要多少块块偏振片？偏振片？解：解：设共需要设共需要n块偏振片，则：块偏振片，则：由题意：由题意：两边取对数：两边取对数：解得：解得：8.3 反射光和折射光的偏振，布儒斯特定律：反射光和折射光的偏振，布儒斯特定律：平行振动平行振动（p分量分量）：振动方向在入射面内；）：振动方向在入射面内；垂直振动垂直振动（s分量分量）：振动方向垂直于入射面；）：振动方向垂直于入射面；实验表明：实验表明：一般情况下，反射光、折射光均为一般情况下，反射光、折射光均
9、为部分偏振光；部分偏振光；反射光中垂直振动多于平行振动，而折射光中平行振动多反射光中垂直振动多于平行振动，而折射光中平行振动多于垂直振动；于垂直振动；入射角入射角i 变化时，反射光、折射光的偏振化程度也随之变化。变化时，反射光、折射光的偏振化程度也随之变化。布儒斯特定律（布儒斯特定律（1812年）：年）：当入射角为某一定值当入射角为某一定值 i0 时，反射光时，反射光为完全偏振光为完全偏振光（只有（只有s s 分量）分量），而折，而折射光仍为部分偏振光。此时，反射射光仍为部分偏振光。此时，反射光线和折射光线的夹角为光线和折射光线的夹角为90。由斯涅尔定律：由斯涅尔定律：所以：所以：称为称为布儒
10、斯特定律布儒斯特定律i0 称为称为起偏振角起偏振角或或布儒斯特角布儒斯特角例：例：n1=1.0（空气），（空气），n2=1.52（玻璃），则（玻璃），则由光的可逆性原理：光从介质由光的可逆性原理：光从介质2射向介质射向介质1时起偏振角为时起偏振角为当入射角为布儒斯特角时，反射光虽为线偏振光，但强度较当入射角为布儒斯特角时，反射光虽为线偏振光，但强度较弱；折射光虽强，但只是部分偏振光。弱；折射光虽强，但只是部分偏振光。若使用玻璃片堆：若使用玻璃片堆：可加强反射线偏振光的强度；可加强反射线偏振光的强度；可提高透射光的偏振化程度。可提高透射光的偏振化程度。例题例题 8-5：一束光由空气入射到折射率一
11、束光由空气入射到折射率 n=1.40 的液体的液体上，反射光是完全偏振光，问此光束的折射上，反射光是完全偏振光，问此光束的折射角为多少？角为多少？解：解：由布儒斯特定律：由布儒斯特定律：空气空气液体液体求得：求得：当入射角为布儒斯特角时：当入射角为布儒斯特角时：8.4 光光 的的 双双 折折 射射1、双折射现象：双折射现象：一束光进入各向同性的介质（如液体、塑料、玻璃等无定形一束光进入各向同性的介质（如液体、塑料、玻璃等无定形物体和立方系结晶体）时，只产生一束折射光。物体和立方系结晶体）时，只产生一束折射光。但一束光进入各向异性晶体（如云母、石英等）时，可产生但一束光进入各向异性晶体（如云母、
12、石英等）时，可产生两束折射光，称为两束折射光，称为双折射现象双折射现象。检偏结果：检偏结果：o光、光、e光都是线偏振光光都是线偏振光。折射光在入射面内，服从折射定律；折射光在入射面内，服从折射定律；e光（非常光）光（非常光）：即即不是常数，因而光速也不是常数。不是常数，因而光速也不是常数。折射光一般不在入射面内，不服从折射定律。折射光一般不在入射面内，不服从折射定律。o光（寻常光）光（寻常光）：光轴（方向）光轴（方向）：光沿该方向传播时不发生双折射。：光沿该方向传播时不发生双折射。单轴晶体单轴晶体（方解石、石英、红宝石）（方解石、石英、红宝石）双轴晶体双轴晶体（云母、硫磺、蓝宝石）（云母、硫磺
13、、蓝宝石）晶体的主截面晶体的主截面：由任一光轴与晶体解理面法线决定的平面；由任一光轴与晶体解理面法线决定的平面；光线的主平面光线的主平面：晶体内任一光线与光轴决定的平面。晶体内任一光线与光轴决定的平面。o光振动方向光振动方向垂直于其主平面垂直于其主平面，e光振光振动方向动方向在其主平面内在其主平面内。一般，一般，o光、光、e光主平面不重合。光主平面不重合。但当入射面为主截面时，但当入射面为主截面时，o光、光、e光的主平面也都在主截面内，此光的主平面也都在主截面内，此时时o光、光、e光的振动方向互相垂直。光的振动方向互相垂直。10971光轴光轴方解石（CaCO3）的主截面eo1021021021
14、027878光轴光轴方解石晶体方解石晶体2、单轴晶体中的波面：单轴晶体中的波面：o光的波面（光的波面（o波面波面）为球面；）为球面；在光轴方向：两波面相切；在光轴方向：两波面相切；正晶体：正晶体：vo ve，no0（如石英、冰等）（如石英、冰等）负晶体：负晶体：vo ne，ne-no ne，当入射角大于全反射临界角时，当入射角大于全反射临界角时，e光全反射，不能进入光全反射，不能进入方解石。方解石。格兰格兰汤姆逊棱镜对水平线上下汤姆逊棱镜对水平线上下 10以内的入射光适用。以内的入射光适用。i光轴光轴玻璃玻璃方解石方解石 渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜：由两块等腰直角方解石棱镜胶合而成。可获得两束分
15、得很开的线偏振光。由两块等腰直角方解石棱镜胶合而成。可获得两束分得很开的线偏振光。棱镜棱镜 1 的光轴平行于的光轴平行于 AB 面；棱镜面；棱镜 2 的光轴垂直于图面。的光轴垂直于图面。棱镜棱镜 1 中的中的 e 光进入棱镜光进入棱镜 2 后成为后成为 o光。光。棱镜棱镜 1 中的中的 o光进入棱镜光进入棱镜 2 后成为后成为 e光。光。光轴光轴eo45rerooeAB8.5 波片、偏振态的检验波片、偏振态的检验由单轴晶体（方解石）制成的光轴平行于晶体表面的薄片。由单轴晶体（方解石）制成的光轴平行于晶体表面的薄片。作用：作用：使使 o 光和光和 e 光之间产生一定的相位差，从而产生圆偏振光和光
16、之间产生一定的相位差，从而产生圆偏振光和椭圆偏振光；椭圆偏振光；用于检验光的偏振状态用于检验光的偏振状态。波片波片：o 光、光、e 光的光程差：光的光程差：o 光、光、e 光的相位差：光的相位差：p光轴光轴AAeAo波片波片自然光线偏光起偏器光轴光轴o光光e光光四分之一波片四分之一波片（4波片）：波片）：或或最小厚度：最小厚度：p光轴光轴AAeAo透射光的偏振状态透射光的偏振状态只有只有e光光 线偏振光线偏振光只有只有o光光 线偏振光线偏振光圆偏振光（右旋）圆偏振光（右旋）其他其他椭圆偏振光（右旋）椭圆偏振光（右旋）二分之一波片二分之一波片（2波片）：波片）：或或最小厚度：最小厚度：p光轴光轴
17、AAeAo入射线偏振光刚进入波片时，被分为相位入射线偏振光刚进入波片时，被分为相位相同的相同的o光和光和e光。光。o光和光和e光刚从波片中出射时，设光刚从波片中出射时，设 A0 不动，不动，Ae 反相（相位变化反相（相位变化）。此时出射光仍为线）。此时出射光仍为线偏振光，但振动方向从一、二象限转到二、偏振光，但振动方向从一、二象限转到二、四象限。振动面转过四象限。振动面转过 2 角。角。例题例题 8-7：假设石英晶体的假设石英晶体的 no、ne与波长无关，某石英晶体波片对波长与波长无关，某石英晶体波片对波长1=800 nm（真空中）的光是（真空中）的光是/4 波片。若一波长为波片。若一波长为2
18、=400 nm（真空中）的线偏振光入射到该晶片上且振动方向与光轴成（真空中）的线偏振光入射到该晶片上且振动方向与光轴成 45角，问透射光的偏振状态如何？角，问透射光的偏振状态如何？解：解：波片对波片对1 的光是的光是/4波片，即：波片，即：根据题意该波片对根据题意该波片对2 的光是的光是/2波片，即：波片，即：所以透射光仍为线偏振光，但振动面转所以透射光仍为线偏振光，但振动面转过过/2 角（角（90角）。角）。p光轴光轴AAeAo偏振光的检验：偏振光的检验：入射光入射光四分之一波片位置四分之一波片位置出射光出射光线偏振光线偏振光振动面与振动面与/4波片光轴一致或垂直波片光轴一致或垂直线偏振光（
19、线偏振光（e光或光或o光）光）振动面与振动面与/4 波片光轴成波片光轴成/4 角角圆圆 偏偏 振振 光光其其 他他 位位 置置椭椭 圆圆 偏偏 振振 光光圆偏振光圆偏振光任任 何何 位位 置置线线 偏偏 振振 光光椭圆偏振光椭圆偏振光长轴与长轴与/4 波片光轴一致或垂直波片光轴一致或垂直线线 偏偏 振振 光光其其 他他 位位 置置椭椭 圆圆 偏偏 振振 光光部分偏振光部分偏振光任任 何何 位位 置置部部 分分 偏偏 振振 光光自自 然然 光光任任 何何 位位 置置自自 然然 光光单用偏振片无法检验入射光是自然光还是圆偏振光或是部分偏单用偏振片无法检验入射光是自然光还是圆偏振光或是部分偏振光还是
20、椭圆偏振光。但使入射光先通过振光还是椭圆偏振光。但使入射光先通过/4 波片，再用偏振波片，再用偏振片检验，则可加以区分。片检验，则可加以区分。8.6 偏偏 振振 光光 的的 干干 涉涉P1波片波片自然光自然光偏振片偏振片光轴光轴P2eoA1P1P2光轴光轴AoAeAo2Ae2线偏振光通过波片后产生的线偏振光通过波片后产生的o光和光和e光相互垂直，因此不会发生光相互垂直，因此不会发生干涉。但波片后再放一块偏振片，则出射光成为两束同频率、干涉。但波片后再放一块偏振片，则出射光成为两束同频率、同振动方向、相位差恒定的相干线偏振光。同振动方向、相位差恒定的相干线偏振光。设晶片等厚，两偏振片透振方向垂直
21、。设晶片等厚，两偏振片透振方向垂直。Ao2、Ae2 相等，与角相等，与角无关。无关。经过偏振片经过偏振片P2 后，两束光的振幅：后，两束光的振幅：相位差：相位差：时：时：干涉加强，视场明亮；干涉加强，视场明亮；时：时：干涉相消，视场变暗。干涉相消，视场变暗。晶片不等厚晶片不等厚时，有干涉时，有干涉条纹产生。条纹产生。若以白光入射，视场随波片厚度不同而出现不同色彩，若以白光入射，视场随波片厚度不同而出现不同色彩，称为称为色偏振色偏振。A1P1P2光轴光轴AoAeAo2Ae2由晶片产生由晶片产生由由P2引起的引起的附加光程差附加光程差例题例题 8-8：两偏振片透光轴夹角为两偏振片透光轴夹角为60，
22、中，中间间插一插一块块水晶水晶/4 波片，其光波片，其光轴轴平分上述角度。入射光是光平分上述角度。入射光是光强强为为 I0 的自然光。的自然光。通通过过/4 波片波片后光的偏振状后光的偏振状态态如何？如何？求通求通过过第二第二块块偏振片后的光偏振片后的光强强。解：解：设通过设通过P1后线偏振光的光强为后线偏振光的光强为I1，则通过，则通过/4波波片后：片后：P1P2CA1AoAeAo2Ae230306060AoAe，o光光e光相位差为光相位差为/2 椭圆偏振光椭圆偏振光通过通过P2后两相干偏振光的振幅和相位差为：后两相干偏振光的振幅和相位差为：自 然 光部 分 偏 振 光线 偏 振 光起 偏 和 检 偏三 块 偏 振 片偏振镜消除玻璃反射光偏振镜消除水面反射光双 折 射 现 象偏 振 现 象 的 应 用