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1、第十二章第十二章 光的偏振光的偏振陈陈 丽丽 娟娟理学院理学院Tel：18022355868Email:本章本章教学要求：教学要求：理解自然光和线偏振光。理解布儒斯特定律及理解自然光和线偏振光。理解布儒斯特定律及马吕斯定律。了解双折射现象。了解线偏振光的获马吕斯定律。了解双折射现象。了解线偏振光的获得方法和检验方法。得方法和检验方法。了解圆偏振光、椭圆偏振光及偏振光的干涉。了解圆偏振光、椭圆偏振光及偏振光的干涉。本章重点：本章重点：线偏振光线偏振光,马吕斯定律马吕斯定律,布儒斯特定律。布儒斯特定律。双折射。双折射。本章难点：本章难点：偏振光的获得方法和检验方法偏振光的获得方法和检验方法,布儒斯
2、特定律布儒斯特定律双折射双折射.光的光的波动性波动性 光的干涉、衍射光的干涉、衍射.光波是光波是横波横波 光的偏振光的偏振.机械横波与纵波的区别机械横波与纵波的区别机机械械波波穿穿过过狭狭缝缝1自然光与偏振光自然光与偏振光普通光源的发光机制普通光源的发光机制原子能级及发光跃迁原子能级及发光跃迁基态基态激激发发态态跃迁跃迁自发辐射自发辐射波列波列长L随机性：随机性：每次发光是随机的，所发出各每次发光是随机的，所发出各波列的振动方向和振动初相位波列的振动方向和振动初相位都不相同。都不相同。偏振光偏振光（线偏振光）（线偏振光）符号表示符号表示光振动只沿某一固定方向的光光振动只沿某一固定方向的光.振动
3、面振动面自然光自然光：一般光源发出的光中，包含着各个方向的光矢一般光源发出的光中，包含着各个方向的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等（轴对称）这样的光叫量在所有可能的方向上的振幅都相等（轴对称）这样的光叫自然光自然光.符号表示符号表示自然光的分解自然光的分解没有优势方向没有优势方向 部分偏振光部分偏振光：彼此无固定相位关系、振动方向任意、不同方向上振幅不同不同方向上振幅不同的大量光振动的组合.无确定无确定的的相位相位关系关系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 圆偏振光和椭圆偏振光圆偏振光和椭圆偏振光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光矢量的大小保持不变，其
4、端点的轨迹为圆，则为圆偏振光；右旋光：右旋光：迎着光线看去，若光矢量顺时针旋转，则为右旋光左旋光：左旋光：迎着光线看去，若光矢量逆时针旋转，则为左旋光光矢量的大小不断改变，其端点轨迹为椭圆若为椭圆，则为椭圆偏振光。y yx z传播方向传播方向 /2x某时刻右旋圆偏振光某时刻右旋圆偏振光E随随z的变化的变化E 02 偏振片偏振片 马吕斯定律马吕斯定律一一.偏振片偏振片 起偏和检偏起偏和检偏 起起 偏偏 二向色性二向色性:某些物质能吸收某一方向的光振某些物质能吸收某一方向的光振动动,而只让与这个方向垂直的光振动通过而只让与这个方向垂直的光振动通过,这种性质这种性质称二向色性称二向色性.偏振片偏振片
5、：涂有二向色性材料的透明薄片涂有二向色性材料的透明薄片.偏振化方向偏振化方向：当自然光照射在偏振片上时，当自然光照射在偏振片上时，它只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振它只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的偏振化方向片的偏振化方向.偏振化方向偏振化方向起偏器起偏器检偏器检偏器 检检 偏偏起偏器起偏器二二.马吕斯定律马吕斯定律（1880 年）年）NM检偏器检偏器起偏器起偏器NM 马吕斯定律马吕斯定律 强度为强度为 的偏振的偏振光通过检偏振器后光通过检偏振器后,出射光的强度为出射光的强度为自然光自然光 线偏振光通过振动片后1、光强改变、光强改变2、振动方向旋转、振动方向旋转角度角度
6、1.夜行车，车灯前加夜行车，车灯前加45度倾斜偏振片灯罩，司机台前度倾斜偏振片灯罩，司机台前玻璃也加玻璃也加45度倾斜偏振片，且偏振化方向都是竖直方度倾斜偏振片，且偏振化方向都是竖直方向。司机可看到自己车灯发出的光，看不到迎面驶来向。司机可看到自己车灯发出的光，看不到迎面驶来汽车车灯的光。汽车车灯的光。请大家自己作图解释！请大家自己作图解释！2.立体电影立体电影偏振光的应用偏振光的应用汽车车灯与窗玻璃用同一偏振化方向的透明膜汽车车灯与窗玻璃用同一偏振化方向的透明膜1）防止对面来的灯光耀眼）防止对面来的灯光耀眼例：偏光镜头例：偏光镜头 橱窗设计橱窗设计 立体电影立体电影原理：利用人眼的双眼效应原
7、理：利用人眼的双眼效应P1P2例：一束自然光，光强度为例：一束自然光，光强度为I0，让其出射两个偏振让其出射两个偏振 片，两个偏振片之间的夹角为片，两个偏振片之间的夹角为450，求从第二，求从第二 个偏振片出射的偏振光强度。个偏振片出射的偏振光强度。解：解：I0自然光自然光I0/2 例例：用用两两偏偏振振片片平平行行放放置置作作为为起起偏偏器器和和检检偏偏器器。在在它它们们的的偏偏振振化化方方向向成成30300 0角角时时，观观测测一一光光源源，又又在在成成60600 0角角时时，观观察察同同一一位位置置处处的的另另一一光光源源，两两次次所所得得的的强强度相等。求两光源照到起偏器上光强之比。度
8、相等。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。按照马按照马吕斯定律，透过检偏器后光的强度为吕斯定律，透过检偏器后光的强度为所以所以但按题意但按题意即即3 反射和折射光的偏振反射和折射光的偏振 布儒斯特定律布儒斯特定律 空气空气 入射面入射面 入射光线和法入射光线和法线所成的平面线所成的平面.反射光反射光 部分部分偏振光偏振光 ，垂直于入射面的振动大于，垂直于入射面的振动大于平行于入射面的振动平行于入射
9、面的振动.折射光折射光 部分部分偏振光，平行于入射面的振动大偏振光，平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动于垂直于入射面的振动.理论和实验证明理论和实验证明：反射光的偏振化程度与入射角有关：反射光的偏振化程度与入射角有关.光反射与折射时的偏振光反射与折射时的偏振玻璃玻璃布儒斯特定律布儒斯特定律（1812年）年）反射光为完全偏振光，且反射光为完全偏振光，且振动面垂直入射面，折射振动面垂直入射面，折射光为部分偏振光。光为部分偏振光。当当 时，时，1）反射光和折射光互相垂直反射光和折射光互相垂直.讨论讨论玻璃玻璃空气空气 2）根据光的根据光的可逆性可逆性，当入射光以，当入射光以 角从角从 介介质入
10、射于界面时，此质入射于界面时，此 角即为布儒斯特角角即为布儒斯特角.玻璃玻璃玻璃玻璃讨论讨论讨论下列光线的反射和折射（讨论下列光线的反射和折射（起偏角起偏角 ）.1空气空气 例例 一自然光自空气射向一块平板玻璃，入射角一自然光自空气射向一块平板玻璃，入射角为布儒斯特角为布儒斯特角 ，问，问 在界面在界面 2 的反射光是什么光？的反射光是什么光？玻璃玻璃2 注意：注意：一次一次起偏垂直入射面起偏垂直入射面的振动仅很小部的振动仅很小部分被反射（约分被反射（约15%）所以）所以反射反射偏振光很弱偏振光很弱。一一般应用般应用玻璃片堆玻璃片堆产生偏振光产生偏振光注意注意 对于一般的光学玻璃对于一般的光学
11、玻璃,反射光的强度约占反射光的强度约占入射光强度的入射光强度的7.5%,大部分光将透过玻璃大部分光将透过玻璃.利用利用玻璃片堆玻璃片堆产生产生线线偏振光偏振光驾驶员戴上偏振太阳镜可以防止马路反射光的炫目。驾驶员戴上偏振太阳镜可以防止马路反射光的炫目。照相机安上偏振镜可以产生不同的效果，看出来了吗？照相机安上偏振镜可以产生不同的效果，看出来了吗？（C C）用偏光镜消除了用偏光镜消除了反射偏振光反射偏振光,使使玻璃门内的人物玻璃门内的人物清晰可见清晰可见（A A）玻璃门表面的玻璃门表面的反光很强反光很强（B B）用偏光镜减弱用偏光镜减弱了反射偏振光了反射偏振光一一.双折射现象双折射现象4 光的双折
12、射（选讲）光的双折射（选讲）一束光进入某种晶体后会出现两束折射光的现象。一束光进入某种晶体后会出现两束折射光的现象。动动 光光 学学双折射现象双折射现象波波 动动 光光 学学光光通过通过双折射晶体双折射晶体 寻常光线（寻常光线（o o光）光）(ordinary rays)(ordinary rays)服从折射定律的光线服从折射定律的光线(extraordinray rays)非常光线（非常光线（e e光）光）不服从折射定律的光线不服从折射定律的光线（一般情况，非常光线不在入射面内）（一般情况，非常光线不在入射面内）实验证明：实验证明：O 光和光和 光均为偏振光光均为偏振光.ACBoeDeo 产
13、产 生生 双双 折折 射射 的的 原原 因因O光波阵面光波阵面 光波阵面光波阵面光轴光轴 寻常光线寻常光线 在晶体中在晶体中各方向上传播速度相同各方向上传播速度相同.常量常量 非常光线非常光线 晶体中各晶体中各方向上传播速度不同方向上传播速度不同,随随方向改变而改变方向改变而改变.为主折射率为主折射率方解石晶体方解石晶体 光轴光轴 在方解石这在方解石这类晶体中存在一个特殊类晶体中存在一个特殊的方向，当光线沿这一的方向，当光线沿这一方向传播时不发生双折方向传播时不发生双折射现象射现象.称这一方向称这一方向为晶体的为晶体的光轴光轴.光轴光轴AB光轴光轴3.主平面和主截面主平面：0光有0光的主平面；
14、e光有e光的主平面.实验表明:O 光振动其主平面;e光振动在其主平面内e光光光轴e光的光的主平面主平面o光光光轴o光的光的主平面主平面主截面：晶体中某条光线与晶体光轴构成的平面,称为该光线的主平面。晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面。三.单轴晶体中光传播的惠更斯作图法(eo)1.光轴平行晶体表面，自然光垂直入射 e oe o光轴光轴晶体晶体o,e在方向上虽没分开，但速度上是分开的。自然光入射到晶体上时，波阵面面上的每一点都可以作为子波波源，向晶体内发射球面子波和椭球子波。所有这些子波的包络面即为晶体中o光和e光的波面。从入射点引向相应子波波面与波阵面的切点的连线方向即为o光和e光的传播方向。利
15、用惠更斯原理作利用惠更斯原理作o、e光路图光路图（以方解石为例）（以方解石为例）.这种特殊情况下这种特殊情况下o光光e光都可用折射定律光都可用折射定律光轴光轴光轴光轴光轴光轴重要！重要！尼科耳棱镜尼科耳棱镜BCAD 光光光光加拿大树胶加拿大树胶利用双折射产生偏振光的仪器利用双折射产生偏振光的仪器760尼科耳棱镜可用于起偏和检偏尼科耳棱镜可用于起偏和检偏3 3、尼科耳棱镜可以、尼科耳棱镜可以起偏起偏和和检偏检偏12.7 12.7 偏振光的干涉（选讲）偏振光的干涉（选讲）复习：两个简谐振动的合成（振动方向垂直、频率相同）消去t即可得质点运动的轨迹方程。(1)(2)质点轨迹均为直线(4)质点轨迹均为
16、椭圆；顺时针旋转逆时针旋转如果两个同频率的线偏振光，振动方向相互垂直，只要它们之如果两个同频率的线偏振光，振动方向相互垂直，只要它们之间存在恒定的相位差，则在一般情况下两者叠加后其合振动光间存在恒定的相位差，则在一般情况下两者叠加后其合振动光矢量的端点将描绘出一个椭圆，这样的光称为矢量的端点将描绘出一个椭圆，这样的光称为椭圆偏振光椭圆偏振光。如果合振动光矢量的端点描绘出的是一个圆，则这样的光称如果合振动光矢量的端点描绘出的是一个圆，则这样的光称为为圆偏振光圆偏振光。正椭圆线偏振光正椭圆线偏振光因入射方向垂直光轴，则o光与e光沿同一方向传播四分之一波片：（对特定波长而言）二分之一波片：光矢量轨迹
17、为直线，通过二分之一波片的光为线偏振光。AAoAe 光轴光轴P用四分之一波片和偏振片P可区分出自然光和圆偏振光；部分偏振光和椭圆偏振光 四四分分之之一一波波片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 偏偏振振片片（转转动动）线偏振光线偏振光 I不变不变线偏振光线偏振光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 四四分分之之一一波波片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 偏偏振振片片（转转动动）线偏振光线偏振光I变变,有消光有消光 部分部分偏振光偏振光光光轴轴平平行行最最大大光光强强或或最最小小光光强强方方向向放放置置或或光轴平行椭圆偏振光的长轴
18、或短轴放置光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置线偏振光线偏振光I变变,无消光无消光思考：为何不用自然光入射晶片产生椭圆偏振光？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的、等幅的、无恒定相差的线偏振光。二者无恒定相差。自然光直接射入晶片，尽管也产生双折射，但o光与e光之间无恒定相差，也就无法获得椭圆偏振光。各个方向光振动彼此独立偏振光的干涉 光干涉的基本条件：光干涉的基本条件：频率相同、振动方向相同以及频率相同、振动方向相同以及有恒定的相位差。有恒定的相位差。晶片光轴自然光相位差：相位差：说明：说明：第二项则是由于光矢量第二项则是由于光矢量 和和 的反
19、向投影的反向投影引起的附加相位差。引起的附加相位差。当当时时，干涉加，干涉加强强 时时，干涉减弱，干涉减弱 当当色偏振：色偏振：当白光照射时，由当白光照射时，由于偏振光干涉而出现彩色花于偏振光干涉而出现彩色花样的现象。样的现象。光弹现象光弹现象透明的各向同性介质在机械应力作用下，显示出光学上的各向透明的各向同性介质在机械应力作用下，显示出光学上的各向异性，与异性，与OO为光轴的双折射类似，这种现象叫做光弹效应。为光轴的双折射类似，这种现象叫做光弹效应。实验表明，在一定胁强强范围内：实验表明，在一定胁强强范围内：S为材料为材料 E受力的面积。受力的面积。k为胁强光学系数为胁强光学系数人工双折射人
20、工双折射各处各处 不同不同各处各处 不同不同出现干涉条纹出现干涉条纹 变变 变变干干涉涉情情况况变变模模型型的的光光弹弹图图象象钓钓钩钩的的光光弹弹图图象象人为双折射现象人为双折射现象 克尔效应克尔效应某些各向同性的透明介质（如非晶体和液体），在外电场某些各向同性的透明介质（如非晶体和液体），在外电场的作用下，显示出双折射现象，称为的作用下，显示出双折射现象，称为克尔效应克尔效应。当外电场撤消当外电场撤消时，这种性质时，这种性质立即消失，因立即消失，因此，也称为此，也称为电电致双折射现象致双折射现象。光轴沿电场强度的方向光轴沿电场强度的方向+-cc两光通过厚度为两光通过厚度为l 的液体时，的液
21、体时，光程差为：光程差为：若去掉盒内电场，则没有光从若去掉盒内电场，则没有光从N透出。整个系统起透出。整个系统起“光开关光开关”的作用。的作用。通过控制外加电压，可调节输出通过控制外加电压，可调节输出的光脉冲的长短和频率，把电讯的光脉冲的长短和频率，把电讯号转变成光讯号。号转变成光讯号。由于光电效应由于光电效应几乎没有惯性，电讯号的控制速几乎没有惯性，电讯号的控制速度可达度可达10-9 m/s。“光开关光开关”,“光调制器光调制器”、“光断续器光断续器”有极有极快的速度启闭光路或调制光强，快的速度启闭光路或调制光强，目前广泛应用于高速摄影、电影、目前广泛应用于高速摄影、电影、电视和激光通讯等许
22、多领域。电视和激光通讯等许多领域。12.9 12.9 旋光现象旋光现象 旋光现象：旋光现象：偏振光在通过某些物质后，其振动面偏振光在通过某些物质后，其振动面会以光的传播方向为轴转过一个角度的现象。会以光的传播方向为轴转过一个角度的现象。旋光物质：旋光物质：具有旋光性质的物质。具有旋光性质的物质。右旋物质：右旋物质：迎着光线射来迎着光线射来的方向观察，振动面按顺的方向观察，振动面按顺时针方向旋转的物质。时针方向旋转的物质。左旋物质：左旋物质：振动面按逆时振动面按逆时针方向旋转的物质。针方向旋转的物质。旋光度（旋光度（）：）：偏振光通过旋光物质后，其振动面偏振光通过旋光物质后，其振动面转过的角度。
23、转过的角度。旋光度与偏振光通过旋光晶体的距离旋光度与偏振光通过旋光晶体的距离 d 成正比。成正比。称为介质的旋光率称为介质的旋光率 对于旋光溶液：对于旋光溶液：c 为溶液的浓度为溶液的浓度 线偏振光检偏器起偏器自然光样品室磁致旋光：磁致旋光：某些磁性物质在外磁场的作用下出现旋某些磁性物质在外磁场的作用下出现旋光现象，称为光现象，称为法拉第磁旋效应法拉第磁旋效应。实验表明，磁致旋光度与样品的长度实验表明，磁致旋光度与样品的长度 l、所加磁感、所加磁感应强度应强度 B 成正比：成正比：V 称为称为费尔德常量费尔德常量，与物质的性质、光的波长以，与物质的性质、光的波长以及温度等有关。及温度等有关。电磁铁电磁铁样样品品P1P2l：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测定糖液浓度的旋光实验测定糖液浓度的旋光实验