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第十四章 光学偏振本讲稿第一页，共五十三页*14-18 偏振光的干涉及应用偏振光的干涉及应用*14-17 光的双折射现象光的双折射现象14-16 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振14-15 自然光和偏振光自然光和偏振光 光的横波性质光的横波性质 马吕斯定律马吕斯定律*14-19 全息照相简介全息照相简介本讲稿第二页，共五十三页光波是一种电磁波光波是一种电磁波传播方向传播方向能够引起感光作用和生理作用的是电场矢量能够引起感光作用和生理作用的是电场矢量电振动、磁振动和光传电振动、磁振动和光传播方向的相互关系播方向的相互关系14-15 自然光和偏振光自然光和偏振光 光的横波性质马吕光的横波性质马吕斯定律斯定律电磁波是变化电场和变化磁场的传播过程电磁波是变化电场和变化磁场的传播过程电场矢量电场矢量称为称为光矢量光矢量矢量的振动称为矢量的振动称为光振动光振动本讲稿第三页，共五十三页1.自然光自然光 各方向上光振动的振幅相等的光各方向上光振动的振幅相等的光自然光自然光所有光矢量都所有光矢量都分分一、自然光和偏振光一、自然光和偏振光两分量大小一般不等两分量大小一般不等各方向光振动振幅相等各方向光振动振幅相等x传播方向传播方向yyx传播传播方向方向所有光矢量的分量所有光矢量的分量叠加综合效果叠加综合效果每一光矢量都可分解每一光矢量都可分解振动方向相互垂直的分振动振动方向相互垂直的分振动则可表示为两个振幅相等、则可表示为两个振幅相等、解到相互垂直的这两个方向解到相互垂直的这两个方向本讲稿第四页，共五十三页2.线偏振光线偏振光传播传播方向方向传播传播方向方向传播传播方向方向传播传播方向方向3.部分偏振光部分偏振光只在一个固定方向有光振动只在一个固定方向有光振动两方向的振幅不等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所有各方向都有光振动本讲稿第五页，共五十三页4.自然光、线偏振光和部分偏振光的图像表示自然光、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垂直纸面的线偏振光振动平行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平行纸面的光振动较强的部分偏振光强的部分偏振光垂直纸面的光振动较强垂直纸面的光振动较强的部分偏振光的部分偏振光自然光自然光 各方向振动强度相同各方向振动强度相同本讲稿第六页，共五十三页5、圆偏振光和椭圆偏振光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在垂直光传播方向的平面内,光矢量按一定频率旋转光矢量按一定频率旋转(左旋或右旋左旋或右旋).光矢光矢量端点的轨迹为圆是量端点的轨迹为圆是圆偏振光圆偏振光,光矢量端点的轨迹为椭圆是光矢量端点的轨迹为椭圆是椭圆偏振光椭圆偏振光.从振动的合成知从振动的合成知,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本书只涉及线偏振光和部分偏振光.本讲稿第七页，共五十三页绳上横波通绳上横波通过狭缝显示过狭缝显示出横波特性出横波特性二、起偏和检偏二、起偏和检偏 光的横波性质光的横波性质狭缝与振动同方向狭缝与振动同方向狭缝与振动方狭缝与振动方向垂直向垂直光源光源自然光自然光起偏器起偏器检偏器检偏器线偏振光线偏振光偏振化方向偏振化方向偏振化偏振化方向方向把自然光变为偏振光的装置称为把自然光变为偏振光的装置称为起偏器起偏器 自然光不能显示光的横波特性自然光不能显示光的横波特性本讲稿第八页，共五十三页偏振片偏振片其他方向的光振动其他方向的光振动自然光自然光线偏振光线偏振光偏振化方向偏振化方向一些天然晶体和人造薄膜可以把自然光变为一些天然晶体和人造薄膜可以把自然光变为偏振光，称为偏振光，称为偏振片偏振片允许光振动通过的方向称为偏振片的允许光振动通过的方向称为偏振片的偏振化方向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电气石晶片本讲稿第九页，共五十三页偏振眼镜偏振眼镜偏振眼镜偏振眼镜旋转偏振片，可以检测入射光的偏振特性旋转偏振片，可以检测入射光的偏振特性两偏振片偏振两偏振片偏振化方向平行化方向平行两偏振片偏振化两偏振片偏振化方向垂直方向垂直偏振片作为偏振片作为起偏器起偏器也能检测入射光的偏振特性，即作为也能检测入射光的偏振特性，即作为检偏器检偏器此时此时无透无透射光射光本讲稿第十页，共五十三页 如果透射光强有两个位置等于零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当偏振片以光线为轴转动时检偏方法与结果判断：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恒为入射光光强的一半 如果透射光强周期性变化如果透射光强周期性变化入射光是自然光入射光是自然光入射光是偏振光或部分偏振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）入射光为全偏振光（线偏振光）全偏振光全偏振光 自然光自然光最亮最亮 自然光自然光最暗最暗起偏器起偏器检偏器检偏器全偏振光全偏振光本讲稿第十一页，共五十三页 光的横波性光的横波性 纵波纵波的振动方向与传播方向相同，因而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有绕传播方向的对称性.横波横波的振动方向与传播方向垂直，的振动方向与传播方向垂直，没有绕传播方向的对称性没有绕传播方向的对称性.自然光自然光，在一，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向振动的本性.可用前面讨论过的装置考察光的横波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检偏器旋转时可看到视场中光强的明暗变化化.表明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,光矢量光矢量才允许通过才允许通过,因而光波没有绕传播方向的对称性因而光波没有绕传播方向的对称性,证实光是横波证实光是横波.本讲稿第十二页，共五十三页三、马吕斯定律三、马吕斯定律光强为光强为I0 0 的线偏振光入射到的线偏振光入射到偏振片偏振片光振动的分解光振动的分解偏振化方向偏振化方向入入射射光光振振动动方方向向A0 0 I0 0I传播方向传播方向偏振片偏振片入射光振入射光振动方向动方向透射光振透射光振动方向动方向偏振化方向偏振化方向透射光的光强为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若振动方向与偏器片的偏振化方向间的夹角是 本讲稿第十三页，共五十三页透射光强最大透射光强最大透射光强为零透射光强为零自然光通过偏振片自然光通过偏振片I0 0I传播方向传播方向偏振片偏振片透射光振透射光振动方向动方向偏振化方向偏振化方向自然光自然光本讲稿第十四页，共五十三页 例例 两个偏振片叠在一起，在它们的偏振化方向成两个偏振片叠在一起，在它们的偏振化方向成 1=30时，观测一束时，观测一束单色自然光，又在单色自然光，又在 2=45时，观测另一束单色自然光时，观测另一束单色自然光.若两次观测得的透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。射光强度相等，求两次入射自然光的强度之比。解解:本讲稿第十五页，共五十三页当自然光在两种介质分界面上反射、折射时当自然光在两种介质分界面上反射、折射时通常反射光、折射光通常反射光、折射光法线法线自然光自然光入射入射平行于入射平行于入射面振动较强面振动较强垂直于入射垂直于入射面振动较强面振动较强n1n214-16 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振会发生偏振现象会发生偏振现象可以是全偏振光可以是全偏振光在一定条件下反射光在一定条件下反射光都是部分偏振光都是部分偏振光本讲稿第十六页，共五十三页反射光和折射光反射光和折射光反射光为全偏振光，反射光为全偏振光，i0称为称为起偏角起偏角（布儒斯特角）（布儒斯特角）法线法线自然光自然光i0角入射角入射部分偏振光部分偏振光全偏振光全偏振光n1n2布儒斯特定律布儒斯特定律即满足即满足当入射角等于特定值当入射角等于特定值 i0 与入射角与入射角 i 有关有关偏振化程度偏振化程度本讲稿第十七页，共五十三页反射光线与折射光线反射光线与折射光线垂直垂直光从空气射向玻璃时光从空气射向玻璃时 可以证明，当入射角等于全偏振角可以证明，当入射角等于全偏振角 i0 时时自然光自然光全偏振光全偏振光法线法线偏振片偏振片本讲稿第十八页，共五十三页自然光以全偏振角从空气射向普通玻璃自然光以全偏振角从空气射向普通玻璃玻玻璃璃片片堆堆自然光自然光全偏振光全偏振光部分偏振光部分偏振光接近全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入射光中垂直振动的能量只有约15%被反射被反射本讲稿第十九页，共五十三页 照相机偏振镜的应用照相机偏振镜的应用未加偏振镜，强反射景象未加偏振镜，强反射景象加偏振镜后，获透射景象加偏振镜后，获透射景象本讲稿第二十页，共五十三页入射光经各向异性介质入射光经各向异性介质一一、双折射现象双折射现象o o光光e光光晶体晶体分为两束分为两束二二、寻常光和非常光寻常光和非常光 非常光（非常光（e e光）光）寻常光（寻常光（o o光）光）*14-17 光的双折射现象光的双折射现象等）折射后分成两束的现象等）折射后分成两束的现象（石英晶体，方解石晶体（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折射光线不遵守折射定律本讲稿第二十一页，共五十三页三三、光轴光轴 主平面主平面 主截面主截面光轴光轴产生双折射的原因：产生双折射的原因：102o102o方解石晶体的光轴方解石晶体的光轴光轴光轴102oAB此方向称为晶体的光轴此方向称为晶体的光轴与非寻常光传播速度相等与非寻常光传播速度相等沿晶体中某方向寻常光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寻常光沿晶体中各个方向的传播速度相同本讲稿第二十二页，共五十三页单轴晶体单轴晶体 只有一个光轴的晶体只有一个光轴的晶体双轴晶体双轴晶体 有两个光轴的晶体有两个光轴的晶体光轴光轴o o、e e 光光主平面主平面 晶体中光的传播方向晶体中光的传播方向主截面主截面 晶体表面法线晶体表面法线入射光入射光光轴光轴折射光折射光光轴光轴法线法线折射光折射光入射光入射光主平面主平面主截面主截面与晶体光轴构成的平面与晶体光轴构成的平面与晶体光轴构成的平面与晶体光轴构成的平面本讲稿第二十三页，共五十三页o 光与光与 e 光的光的实验表明：实验表明：o o光光光轴光轴o o光的光的主平面主平面e e光光光轴光轴e e光的光的主平面主平面o 光的振动方向垂直光的振动方向垂直于自己的主平面于自己的主平面e 光的振动平行光的振动平行于自己的主平面于自己的主平面o 光和光和 e 光都是线偏振光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振动方向相互垂直主平面相重合主平面相重合本讲稿第二十四页，共五十三页四、正单轴晶体、负单轴晶体四、正单轴晶体、负单轴晶体ve为为e光在垂直于光轴方向上的传播速度光在垂直于光轴方向上的传播速度c 为真空中的光速为真空中的光速则则设设vo 为为 o 光传播速度光传播速度本讲稿第二十五页，共五十三页（o光沿各个方向的传播速度都相同）光沿各个方向的传播速度都相同）vevO光轴光轴vevO光轴光轴双折射晶体中的波面双折射晶体中的波面正晶体正晶体 负晶体负晶体e 光在晶体内形成的子波波振面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）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是以光轴为轴的旋转椭球面本讲稿第二十六页，共五十三页用作图法可以确定用作图法可以确定o光和光和e光在晶体内的传播方向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，但速度不相等光在传播方向上虽相同，但速度不相等光轴光轴o光光e光光五、惠更斯原理在双折射现象中的应用五、惠更斯原理在双折射现象中的应用 以方解石为例，以方解石为例，本讲稿第二十七页，共五十三页 光轴平行晶体表面光轴平行晶体表面 光轴光轴io votve eteo ect且垂直入射面，自然光斜入射且垂直入射面，自然光斜入射本讲稿第二十八页，共五十三页 光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射光轴光轴o光光e光光此时此时e光的波面不再与其波射线垂直了光的波面不再与其波射线垂直了本讲稿第二十九页，共五十三页 格兰格兰汤普森棱镜由两块光轴平行于底面的方解石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。胶的折射率大于率大于ne，小于，小于no，同时令，同时令角大于角大于o 光在胶合面上的光在胶合面上的临界角。临界角。o光光e光光光轴光轴光轴光轴光轴光轴光轴光轴光轴光轴光轴光轴胶合面胶合面o光光e光光六、格兰六、格兰汤普森棱镜汤普森棱镜本讲稿第三十页，共五十三页一、椭圆偏振光和圆偏振光一、椭圆偏振光和圆偏振光d晶片晶片C 单色自然光单色自然光偏振片偏振片P1偏振化方向偏振化方向光轴方向光轴方向 AeAo*14-18 偏振光的干涉及其应用偏振光的干涉及其应用线偏振光射向晶片线偏振光射向晶片C后，后，在晶体内分成在晶体内分成o光、光、e光，相应的相位差为光，相应的相位差为本讲稿第三十一页，共五十三页设出射设出射C后两束偏振光的光矢量分别为后两束偏振光的光矢量分别为和和则则且且AAoAe 光轴光轴本讲稿第三十二页，共五十三页所以所以若若合成光为线偏振光合成光为线偏振光合成光为直椭圆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光为斜椭圆偏振光合成为圆偏振光合成为圆偏振光本讲稿第三十三页，共五十三页本讲稿第三十四页，共五十三页 1/4 1/4波片波片d光轴方向光轴方向 AeAo二二、波片波片波片是厚度均匀，光轴与表面平行的晶体薄片波片是厚度均匀，光轴与表面平行的晶体薄片能使能使o光、光、e光出射时产生光出射时产生(2k+1)/2的相位差的相位差因为因为所以所以本讲稿第三十五页，共五十三页说明：说明：一束偏振光通过一束偏振光通过 1/4 波波片后，出射的偏振状态由片后，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（线偏振光振动方向与波片光轴的夹角）确定。当定。当 =0(或或90 )时，出射线偏振光；当时，出射线偏振光；当 =45 时，出射圆偏振光；时，出射圆偏振光；为其他值时，出射光为为其他值时，出射光为椭圆偏振光椭圆偏振光 椭圆偏振光（圆偏振光），经椭圆偏振光（圆偏振光），经 1/4 波波片后，变为片后，变为线偏振光线偏振光本讲稿第三十六页，共五十三页如图，线偏振光通过如图，线偏振光通过半波片后，出射光仍为线半波片后，出射光仍为线偏振光，但其振动方向却偏振光，但其振动方向却移过移过 2 角角Ae出出=A e入入 AO入入AO出出A入入A出出光光轴轴 1/2 波片：能使线偏振光出射时的两束线偏振光产生波片：能使线偏振光出射时的两束线偏振光产生 (2k+1)的相位差，这样的波片称为的相位差，这样的波片称为1/2 波片波片本讲稿第三十七页，共五十三页单色自然光经单色自然光经P1后成为线偏振光，通过后成为线偏振光，通过C后，又后，又成为两束不相干的线偏振光，再经成为两束不相干的线偏振光，再经P2 后，就成为频率后，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生偏振光干涉d晶片晶片C 单色自然光单色自然光偏振片偏振片P1偏振化方向偏振化方向光轴方向光轴方向 AeAo光轴方向光轴方向偏振片偏振片P2三三、偏振光的干涉偏振光的干涉本讲稿第三十八页，共五十三页通过通过P2 两束相关光的振幅分别为产生两束相关光的振幅分别为产生o o光、光、e光光两束光在晶体两束光在晶体 P2中产生的相位差中产生的相位差通过通过P1 产生产生o光、光、e光光P2P1CA1AeAoA2oA2e 本讲稿第三十九页，共五十三页由于由于A1o与与A2e方向相反，产生附加相位差方向相反，产生附加相位差本讲稿第四十页，共五十三页说明：说明：在偏振光干涉中在偏振光干涉中屏幕上的明暗由晶体厚度屏幕上的明暗由晶体厚度d 决定决定n 对一定波长的入射光来说对一定波长的入射光来说n 用白光进行实验时在晶体中厚度均匀的情况下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屏上出现一定色彩合成的混合色这称为这称为显色偏振显色偏振本讲稿第四十一页，共五十三页四四、光弹效应光弹效应(应力双折射效应应力双折射效应)应力应力各向异性各向异性v 各向不同各向不同n 各向不同各向不同介质可由各向同性变为各向异性，产生双折射介质可由各向同性变为各向异性，产生双折射P1P2 dFSF干涉干涉有机玻璃有机玻璃C这种现象称为光弹性效应这种现象称为光弹性效应 在机械应力作用下在机械应力作用下本讲稿第四十二页，共五十三页各处各处 不同不同变导致变导致 改变，引起干涉情况变改变，引起干涉情况变在一定应力范围内：在一定应力范围内：导致各处导致各处 不同从而出现干涉条纹不同从而出现干涉条纹本讲稿第四十三页，共五十三页加外力前加外力前加外力后加外力后本讲稿第四十四页，共五十三页五、旋光现象五、旋光现象当一束完全偏振光通过旋光物质时，其振动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，这种现象称为面会旋转一定角度，这种现象称为旋光现象旋光现象 j j旋光物质旋光物质 l本讲稿第四十五页，共五十三页其中：其中：为旋光率为旋光率测定糖浓度的糖量计就是据此原理制成的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，对于有旋光性的液体，与液体的浓度与液体的浓度c 成正比成正比与在物质中通过的距离成正比与在物质中通过的距离成正比本讲稿第四十六页，共五十三页六、克尔效应与泡克耳效应六、克尔效应与泡克耳效应由于弛豫时间短（由于弛豫时间短（10-9s），可以作为高速光闸），可以作为高速光闸用途：用途：且且o光与光与e光的折射率之差满足：光的折射率之差满足：克尔效应：克尔效应：某些液体在外加电场某些液体在外加电场 E 的作用下出现双折射现象的作用下出现双折射现象本讲稿第四十七页，共五十三页液体液体电场电场且且o光与光与e光的折射率之差满足：光的折射率之差满足：泡克耳效应：泡克耳效应：某些晶体在外加电场某些晶体在外加电场 E 的作用下出现双折射现象的作用下出现双折射现象本讲稿第四十八页，共五十三页磁性薄膜磁性薄膜检偏器检偏器起偏器起偏器聚焦透镜聚焦透镜激光器激光器信号放大器信号放大器信号输出信号输出磁光盘信息读出装置磁光盘信息读出装置七、磁旋光效应七、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，这种效应称为磁射光或透射光的偏振面发生旋转，这种效应称为磁旋光效应旋光效应本讲稿第四十九页，共五十三页一、一、全息照片的拍摄全息照片的拍摄*14-19 全息照相简介全息照相简介在显微镜下才能看见的干涉条纹的全息图在显微镜下才能看见的干涉条纹的全息图底片上记录的是只有底片上记录的是只有本讲稿第五十页，共五十三页二、二、全息图像的观察全息图像的观察 全息底片破碎以后，它的每个残片都可以再现全息底片破碎以后，它的每个残片都可以再现物体完整的像，底片的每一部分都记录了物体的完整物体完整的像，底片的每一部分都记录了物体的完整信息信息本讲稿第五十一页，共五十三页三、三、全息技术的应用全息技术的应用 全息底片得到了多种应用，如：全息干涉计量，全息底片得到了多种应用，如：全息干涉计量，光弹，无损探伤，光学滤波，信息存储，特征识别，光弹，无损探伤，光学滤波，信息存储，特征识别，显微技术等显微技术等。最成功的应用是防伪商标最成功的应用是防伪商标 本讲稿第五十二页，共五十三页 光的偏振光的偏振1、明确自然光与偏振光的区别；、明确自然光与偏振光的区别；2、知道产生偏振光的几种方法，掌握布儒斯特定、知道产生偏振光的几种方法，掌握布儒斯特定律和马吕斯定律；律和马吕斯定律；教学要求教学要求本讲稿第五十三页，共五十三页