第十四章光的偏振优秀课件.ppt

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1、第十四章光的偏振1第1页，本讲稿共66页14-1 14-1 自然光和偏振光自然光和偏振光 光的干涉和衍射现象不能分辨光波是横波还是纵光的干涉和衍射现象不能分辨光波是横波还是纵 波，因为这两种波都能产生干涉现象。波，因为这两种波都能产生干涉现象。光的光的偏振现象则清楚地显示了光的横波性。偏振现象则清楚地显示了光的横波性。光的偏振也是肯定光是电磁波的根据之一。光的偏振也是肯定光是电磁波的根据之一。由于光的偏振，使光的传播又出现了一些新的特由于光的偏振，使光的传播又出现了一些新的特 点。点。2第2页，本讲稿共66页14.1.1 14.1.1 横波的偏振性横波的偏振性 沿纵波的传播方向作任意平面，波的

2、运动情况相沿纵波的传播方向作任意平面，波的运动情况相同，具有对称性，即同，具有对称性，即 纵波的振动相对于传播方向纵波的振动相对于传播方向是轴对称的。是轴对称的。3第3页，本讲稿共66页横波的振动相对于传播方向不是轴对称的。横波的振动相对于传播方向不是轴对称的。4第4页，本讲稿共66页 2 2、振动面的概念、振动面的概念 振动方向与传播方向组成的平面。振动方向与传播方向组成的平面。1 1、偏振、偏振 波的振动方向相对于传播方向的不对称性，叫波的振动方向相对于传播方向的不对称性，叫偏振。偏振。这就是说，横波具有偏振性，而纵波不具备偏这就是说，横波具有偏振性，而纵波不具备偏振性。振性。光是横波，应

3、该具有偏振性。光是横波，应该具有偏振性。5第5页，本讲稿共66页14.1.2 14.1.2 自然光自然光1 1、自然光是非偏振光、自然光是非偏振光其根源仍在热原子发光具有间歇性和独立性。其根源仍在热原子发光具有间歇性和独立性。光波虽然是横波，但普通光源发出的光是自然光，光波虽然是横波，但普通光源发出的光是自然光，不是偏振光。不是偏振光。普通光源中每个原子所发出的光其普通光源中每个原子所发出的光其位相关系位相关系及及振动方振动方向向都是都是随机随机的。的。6第6页，本讲稿共66页cExyz 一串光波列是横波。但从宏观上看，光源发出的光一串光波列是横波。但从宏观上看，光源发出的光中包含了所有方向的

4、光振动，振动面可以分布在一切中包含了所有方向的光振动，振动面可以分布在一切可能的方位，任何方向光矢量对时间的平均值是相等可能的方位，任何方向光矢量对时间的平均值是相等的。的。所以自然光的光振动对光的传播方向是轴对称而又均所以自然光的光振动对光的传播方向是轴对称而又均匀分布的。匀分布的。7第7页，本讲稿共66页 光光振振动动的的振振幅幅在在垂垂直直于于光光波波的的传传播播方方向向上上，既既有有时时间间分分布布的的均均匀匀性性，又又有有空空间间分分布布的的均均匀匀性性，具具有有这这种种特特性性的的光光就就叫叫自自然然光光 。(或或者者说说，具具有有各各个方向个方向的光振动，且又的光振动，且又无固定

5、的位相关系无固定的位相关系的光的光)。结论：自然光的横波性被发光的随机性所破坏或掩结论：自然光的横波性被发光的随机性所破坏或掩盖。盖。8第8页，本讲稿共66页2 2、自然光的分解、自然光的分解一个简谐振动总可以分解为两一个简谐振动总可以分解为两个相互垂直的振动。个相互垂直的振动。且一般且一般 例如，一个振幅为的振动可例如，一个振幅为的振动可分解为分解为9第9页，本讲稿共66页自自然然光光在在各各个个方方向向上上都都有有振振动动，其其中中每每个个振振动动都都可可以以这这样样分分解解，即即由对称性知，有由对称性知，有所以，所以，没有一个方向的振动优于其它方向。这个结果没有一个方向的振动优于其它方向

6、。这个结果与坐标系无关。与坐标系无关。10第10页，本讲稿共66页xy.表示该光的振动面就在纸平面内。表示该光的振动面就在纸平面内。表示该光的振动方向垂直于纸平面；表示该光的振动方向垂直于纸平面；3 3、自然光的表示、自然光的表示 由于自然光的波振幅在垂直于传播方向的平面内，在各个由于自然光的波振幅在垂直于传播方向的平面内，在各个方向上的分布平均相等，因此将波振幅在该平面内向任意的两方向上的分布平均相等，因此将波振幅在该平面内向任意的两个正交方向进行分解，都可以得到两个振动方向互相垂直且振个正交方向进行分解，都可以得到两个振动方向互相垂直且振幅相等的振动，故此自然光常用下图表示：幅相等的振动，

7、故此自然光常用下图表示：11第11页，本讲稿共66页14.1.3 14.1.3 线偏振光线偏振光如果光波的光矢量的方向始终不变，只沿一个固定方如果光波的光矢量的方向始终不变，只沿一个固定方向振动时，这种光称为向振动时，这种光称为线偏振光线偏振光.12第12页，本讲稿共66页14.1.4 14.1.4 部分偏振光部分偏振光这种光在垂直于光的传播方向的平面内，各方向的振这种光在垂直于光的传播方向的平面内，各方向的振动都有，但它们的振幅大小不相等，称为动都有，但它们的振幅大小不相等，称为部分偏振光部分偏振光.例例：晴朗蔚蓝色的天空中所散射的日光多是部分偏振晴朗蔚蓝色的天空中所散射的日光多是部分偏振光

8、，散射光与入射光的方向越接近垂直，散射光的偏光，散射光与入射光的方向越接近垂直，散射光的偏振度越高振度越高。13第13页，本讲稿共66页14.2.1 14.2.1 偏振片的起偏和检偏偏振片的起偏和检偏1 1、偏振器、偏振器：把自然光变成为全偏振光的仪器。：把自然光变成为全偏振光的仪器。有些晶体（例如硫酸金鸡钠硷）对互相垂直的两个有些晶体（例如硫酸金鸡钠硷）对互相垂直的两个分振动光矢量具有选择性吸收，这种现象称作晶体分振动光矢量具有选择性吸收，这种现象称作晶体的的二向色性二向色性。14-2 14-2 起偏和检偏起偏和检偏 马吕斯定律马吕斯定律起偏起偏：把自然光变成偏振光。把自然光变成偏振光。14

9、第14页，本讲稿共66页偏振器偏振器透光轴透光轴自然光自然光偏振光偏振光自然光通过这种晶体薄片后，自然光通过这种晶体薄片后，只剩下一个方向的振只剩下一个方向的振动，而另一个方向的振动则被吸收。动，而另一个方向的振动则被吸收。这种晶体薄片这种晶体薄片就可做偏振片。就可做偏振片。15第15页，本讲稿共66页 偏振片上允许通过光振动的方向叫做偏振片的偏偏振片上允许通过光振动的方向叫做偏振片的偏振化方向。也叫振化方向。也叫透光轴透光轴。2 2、偏振片的偏振化方向、偏振片的偏振化方向16第16页，本讲稿共66页 自然光通过偏振片后即成为线偏振光，线偏振光的自然光通过偏振片后即成为线偏振光，线偏振光的振动

10、方向与偏振片的偏振化方向相同。此时的偏振片振动方向与偏振片的偏振化方向相同。此时的偏振片称为称为起偏器起偏器。若入射自然光的光强为若入射自然光的光强为I0 0，其通过偏振片后，光强，其通过偏振片后，光强降为降为I0 0/2/2。17第17页，本讲稿共66页 自然光通过起偏器后成为偏振光，这时旋转偏振自然光通过起偏器后成为偏振光，这时旋转偏振片就可得到不同方向的偏振光。可是人眼对光振动片就可得到不同方向的偏振光。可是人眼对光振动的方向不敏感，无论怎样旋转偏振片，都感觉不到的方向不敏感，无论怎样旋转偏振片，都感觉不到光强的变化。光强的变化。3 3、自然光、偏振光、部分偏振光的检验、自然光、偏振光、

11、部分偏振光的检验 如果入射的是线偏振光，若偏振化方向与线偏振如果入射的是线偏振光，若偏振化方向与线偏振光的振动方向成光的振动方向成9090角，则线偏振光将完全不能通角，则线偏振光将完全不能通过。因此，当转动偏振片时，在视场中就可看到光过。因此，当转动偏振片时，在视场中就可看到光强的明显变化，并有消光现象。强的明显变化，并有消光现象。18第18页，本讲稿共66页偏振片转一周偏振片转一周消光消光线偏光线偏光部分偏光部分偏光强强度度变变，无无消光消光自然光自然光强度不变强度不变透光轴透光轴 如果入射的是部如果入射的是部分偏振光，则转动偏分偏振光，则转动偏振片时，视场中光强振片时，视场中光强有变化，但

12、不十分明有变化，但不十分明显，无消光现象。显，无消光现象。应用应用：制成安全汽车灯；：制成安全汽车灯；在大房间内的风洞上装上两块可自由旋转的偏在大房间内的风洞上装上两块可自由旋转的偏振片，可使室内光线具有浪漫色彩。振片，可使室内光线具有浪漫色彩。19第19页，本讲稿共66页 光强为光强为I0 0的线偏振光，当其振动方向与偏振片的偏的线偏振光，当其振动方向与偏振片的偏振化方向的成振化方向的成角时，则透过偏振片的光强为：角时，则透过偏振片的光强为：注意两点：注意两点：入射光必须是线偏振光，不是自然光；入射光必须是线偏振光，不是自然光；是与是与coscos2 2正比，而不是与正比，而不是与cosco

13、s正比。正比。14.2.2 14.2.2 马吕斯定律马吕斯定律AI0I20第20页，本讲稿共66页证明：证明：ON1表示入射表示入射线线偏振光的振偏振光的振动动方向，方向，ON2表示表示检检偏器的透光偏器的透光轴轴方方向，两者的向，两者的夹夹角角为为.入射入射线线偏振光的光矢量振幅偏振光的光矢量振幅为为E0，将此光矢量，将此光矢量沿沿ON2及垂直于及垂直于ON2的方向分解的方向分解为为两个分量，它两个分量，它们们的大小分的大小分别别为为E0cos 和和E0sin，其中只有平行于，其中只有平行于检检偏器透光偏器透光轴轴方向方向ON2的分量可以透的分量可以透过检过检偏器偏器.由于光由于光强强和振幅

14、的平方成正比，所以透和振幅的平方成正比，所以透过过检检偏器的透射光偏器的透射光强强I和入射和入射线线偏振光的光偏振光的光强强I0之比之比为为21第21页，本讲稿共66页偏振器偏振器自然光自然光检偏器检偏器I I1 1I I2 2 如果入射到检偏片的线偏振光是穿过起偏器的光，如果入射到检偏片的线偏振光是穿过起偏器的光，则公式中的则公式中的角就是两偏振片的偏振化方向之间的夹角就是两偏振片的偏振化方向之间的夹角。角。22第22页，本讲稿共66页例例14.2要使一束线偏振光通过偏振片后振动方向转要使一束线偏振光通过偏振片后振动方向转过过90，至少需要让这束光通过几块理想偏振片？在，至少需要让这束光通过

15、几块理想偏振片？在此情况下，透射光强最大是原来光强的多少倍？此情况下，透射光强最大是原来光强的多少倍？解至少需要两块理想偏振片解至少需要两块理想偏振片(如如图图14.7所示所示).其中其中P1透光轴与线偏透光轴与线偏振光振动方向的夹角为振光振动方向的夹角为，第二块，第二块偏振片透光轴与偏振片透光轴与P1透光轴夹角为透光轴夹角为(90).设入射线偏振光原来的光设入射线偏振光原来的光强为强为I0，则透射光强，则透射光强当当290，即，即45时时，.23第23页，本讲稿共66页14-3 14-3 14-3 14-3 反射与折射时光的偏振反射与折射时光的偏振 光光在在两两种种介介质质界界面面上上的的行

16、行为为比比较较复复杂杂。例例如如传传播播方方向向可可能能改改变变，能能流流（即即振振幅幅）将将重重新新分分配配，位位相相可可能能突突变变。下下面面的的讨讨论论表表明明，在在界界面面上上可可能能还还有有偏振特性的改变。偏振特性的改变。24第24页，本讲稿共66页一、反射光和折射光的偏振一、反射光和折射光的偏振在一般情况下，反射在一般情况下，反射光和折射光都是部分偏光和折射光都是部分偏振光。振光。n2n1反射光中是垂直入射反射光中是垂直入射面的面的E E矢量占优势，在矢量占优势，在折射光中则是平行入射折射光中则是平行入射面的面的E E矢量占优势。矢量占优势。反射光、折射光的偏振化程度随入射角反射光

17、、折射光的偏振化程度随入射角i而变。而变。25第25页，本讲稿共66页 二布儒斯特定律二布儒斯特定律当入射角为某角度当入射角为某角度 i0 0 ，即满足，即满足时，反射光中只有垂直入射面的时，反射光中只有垂直入射面的矢量而成为线偏矢量而成为线偏振光，但折射光仍为部分偏振光，这一规律称之为振光，但折射光仍为部分偏振光，这一规律称之为布儒斯特定律。布儒斯特定律。26第26页，本讲稿共66页使反射光成为全偏振光时的入射角使反射光成为全偏振光时的入射角i0 0称为布儒斯特称为布儒斯特 角。角。n2n1 当入射角为布儒斯特角时，反射线和折射线互相当入射角为布儒斯特角时，反射线和折射线互相 垂直，即有垂直

18、，即有27第27页，本讲稿共66页证明：证明：由折射定律由折射定律由布儒斯特定律有：由布儒斯特定律有：i0i0n1n2自然光自然光完全偏光完全偏光部分偏光部分偏光90o28第28页，本讲稿共66页 必须说明的是：虽然反射光是必须说明的是：虽然反射光是E E矢量垂直于入射矢量垂直于入射面的线偏振光，但反射光中的垂直分量只占入射光面的线偏振光，但反射光中的垂直分量只占入射光中全部垂直分量的中全部垂直分量的15%15%，即反射偏振光非常微弱，即反射偏振光非常微弱-这也说明了折射光依然是部分偏振光。这也说明了折射光依然是部分偏振光。29第29页，本讲稿共66页三、应用、应用 用玻璃片堆获取偏振光用玻璃

19、片堆获取偏振光i0接近完全偏振光接近完全偏振光30第30页，本讲稿共66页31第31页，本讲稿共66页 在激光器的谐振腔中开有布儒斯特窗，故激光是在激光器的谐振腔中开有布儒斯特窗，故激光是 偏振光。偏振光。也可用玻璃片作检偏器。也可用玻璃片作检偏器。在强光下摄影时，反光强烈，为使成像后光线谐在强光下摄影时，反光强烈，为使成像后光线谐调、柔和，可在摄影机前头加偏振片，旋转偏振调、柔和，可在摄影机前头加偏振片，旋转偏振片可减少入射的反射光光强。在雪地，海洋上反片可减少入射的反射光光强。在雪地，海洋上反射光很强，为保护视力可带装有偏振片的眼镜，射光很强，为保护视力可带装有偏振片的眼镜，或在望远镜前加

20、偏振片。或在望远镜前加偏振片。32第32页，本讲稿共66页例例14.4如图如图14.10所示为一玻璃三棱镜，材料的折所示为一玻璃三棱镜，材料的折射率为射率为n1.50，设光在棱镜中传播时能量不被吸收，设光在棱镜中传播时能量不被吸收.问：问：(1)一束光强为一束光强为I0的单色光，从空气入射到棱镜的单色光，从空气入射到棱镜左侧界面折射进入棱镜左侧界面折射进入棱镜.若要求入射光全部能进入棱若要求入射光全部能进入棱镜，对入射光和入射角有何要求？镜，对入射光和入射角有何要求？(2)若要求光束经棱镜若要求光束经棱镜从右侧折射出来，强从右侧折射出来，强度仍保持不变，则对度仍保持不变，则对棱镜顶角有何要求？

21、棱镜顶角有何要求？图图14.10 33第33页，本讲稿共66页解解(1)若要求入射光全部折射到棱镜里，则要求若要求入射光全部折射到棱镜里，则要求其反射光强度为零其反射光强度为零.对于自然光这条件无法满足对于自然光这条件无法满足.若若入射光为光振动平行入射面的线偏振光，则在入入射光为光振动平行入射面的线偏振光，则在入射角等于起偏振角的情况下，反射光束的强度为射角等于起偏振角的情况下，反射光束的强度为零，入射光将全部进入棱镜零，入射光将全部进入棱镜.因此要求入射光是振因此要求入射光是振动方向平行于入射面的线偏振光动方向平行于入射面的线偏振光.入射角入射角i01为为34第34页，本讲稿共66页(2)

22、当当进进入棱入棱镜镜的光射到棱的光射到棱镜镜右右侧侧界面，因它只包含界面，因它只包含平行入射面的光振平行入射面的光振动动，只要以起偏振角入射，只要以起偏振角入射，则则其其反射光的反射光的强强度仍然度仍然为为零，零，进进入棱入棱镜镜的光将全部折射的光将全部折射出棱出棱镜镜而保持而保持强强度不度不变变.这时这时投射到界面投射到界面AC的起偏的起偏振角振角i02为为因因为为 从从图图14.10上的几上的几何关系可以看出何关系可以看出35第35页，本讲稿共66页分子中的一个电子振动时发出的光是偏振的，它的分子中的一个电子振动时发出的光是偏振的，它的光振动方向总是垂直于光的传播方向光振动方向总是垂直于光

23、的传播方向(横波横波)，并和，并和电子的振动方向在同一个平面内电子的振动方向在同一个平面内.但是，往各方向发但是，往各方向发出的光强度不同：在垂直于电子振动的方向，强度出的光强度不同：在垂直于电子振动的方向，强度最大；在沿电子振动的方向，强度为零最大；在沿电子振动的方向，强度为零.一束光射到一个微粒或分子上，就会使其中的电子一束光射到一个微粒或分子上，就会使其中的电子在光束内的电场矢量的作用下振动在光束内的电场矢量的作用下振动.此类振动中的电此类振动中的电子会向其周围四面八方发射同频率的电磁波，即光子会向其周围四面八方发射同频率的电磁波，即光.这种现象叫做这种现象叫做光的散射光的散射.14-4

24、 14-4 散射光的偏振散射光的偏振散射光的偏振散射光的偏振36第36页，本讲稿共66页图图14.11表示了表示了这这种情形，种情形，O处处有一有一电电子沿子沿竖竖直方向直方向振振动动，它，它发发出的球面波向出的球面波向四周四周传传播，各条光播，各条光线线上的上的短短线线表示表示该该方向上光振方向上光振动动的方向，短的方向，短线线的的长长短大致短大致表示表示该该方向上光振方向上光振动动的振的振幅幅.图图14.11振动的电子发出的光的振动的电子发出的光的 振幅和偏振方向示意图振幅和偏振方向示意图 37第37页，本讲稿共66页按照按照电电磁理磁理论论，每个散射光波的振幅是与它的，每个散射光波的振幅

25、是与它的频频率率的平方成正比，而其光的平方成正比，而其光强强又和它的振幅的平方成正又和它的振幅的平方成正比，所以散射光的比，所以散射光的强强度和光的度和光的频频率的率的4次方成正比次方成正比.38第38页，本讲稿共66页14.5.1 14.5.1 双折射现象双折射现象 寻常光和非常光寻常光和非常光且入射线、法线、折射线在同一平面内，且入射线、法线、折射线在同一平面内，这是光在这是光在各向同性均匀媒质中的折射现象。各向同性均匀媒质中的折射现象。例如光从空气射向水、玻璃、或呈熔融态的石英时。例如光从空气射向水、玻璃、或呈熔融态的石英时。当一束光投射到两种媒质的交界处，一般只能看到当一束光投射到两种

26、媒质的交界处，一般只能看到一束折射光，折射定律为：一束折射光，折射定律为：14-5 14-5 光的双折射光的双折射39第39页，本讲稿共66页 但是，如果将光束射向各向异性的晶体中时，例如但是，如果将光束射向各向异性的晶体中时，例如将一束光投向方解石（冰州石），透过方解石的光则将一束光投向方解石（冰州石），透过方解石的光则有两束。有两束。所谓各向异性，是指晶体的物理性质与方向有关。所谓各向异性，是指晶体的物理性质与方向有关。v 各向各向(同同)异性的微观本质异性的微观本质 若组成固体的晶粒在空间的取向是若组成固体的晶粒在空间的取向是无规则的无规则的，就，就表现出表现出各向同性；各向同性；若组成

27、固体的晶粒在空间有若组成固体的晶粒在空间有一定的一定的取向取向，就表现出，就表现出各向异性。各向异性。40第40页，本讲稿共66页v 能产生双折射的晶体是非立方晶系的晶体。能产生双折射的晶体是非立方晶系的晶体。如方解石、石英、电气石、红宝石等。如方解石、石英、电气石、红宝石等。晶体晶体(固体固体)的各向异性的各向异性例：云母只容易沿一个平面劈开；例：云母只容易沿一个平面劈开；结晶的石墨在每两个相对面之结晶的石墨在每两个相对面之间并不具有相同的电阻。间并不具有相同的电阻。镍晶体只在一个确定的方向上镍晶体只在一个确定的方向上容易被磁化。容易被磁化。41第41页，本讲稿共66页1 1、双折射现象、双

28、折射现象 当一束光在晶体的表面折射时，在晶体内可产当一束光在晶体的表面折射时，在晶体内可产生两束折射光。这就是双折射现象。生两束折射光。这就是双折射现象。42第42页，本讲稿共66页 如果将光束如果将光束正入射正入射在方解石上，并将方解石围绕在方解石上，并将方解石围绕着入射光束旋转，则发现其中一光束不动，而另一光着入射光束旋转，则发现其中一光束不动，而另一光束跟着旋转一周。束跟着旋转一周。2 2、寻常光（、寻常光（o o光）和非寻常光（光）和非寻常光（e e光）光）在两折射光束中在两折射光束中v 有一束光有一束光遵守普通的折射定律遵守普通的折射定律，称为寻常光，称为寻常光 (o(o光光)。不管

29、入射光束方位如何，不管入射光束方位如何，o o光总在入射面内。光总在入射面内。43第43页，本讲稿共66页注意：注意：o o光和光和e e光只有在双折射光只有在双折射晶体的内部晶体的内部才有意才有意 义。义。v 另一束光另一束光不遵守普通的不遵守普通的折射定律折射定律，称非常光，称非常光 (e(e光光)。即使入射角为即使入射角为0 0，折射角也不等于，折射角也不等于0 0，而且，而且e e光往光往往不在入射面内。往不在入射面内。v o o光和光和e e光都是线偏振光。光都是线偏振光。44第44页，本讲稿共66页14.5.2 14.5.2 晶体的光轴与光线的主平面晶体的光轴与光线的主平面v 方解

30、石方解石(冰洲石冰洲石CaCOCaCO3 3）v 能产生双折射的晶体是非立方晶系的晶体。能产生双折射的晶体是非立方晶系的晶体。如方解石、石英、电气石、红宝石等。如方解石、石英、电气石、红宝石等。45第45页，本讲稿共66页天然方解石晶体的外形为平行六面体，每个表面天然方解石晶体的外形为平行六面体，每个表面都是平行四边形都是平行四边形(或菱形或菱形),),锐角为锐角为 7878o o8 8 78 78o o钝角为钝角为 101101o o5252 102 102o o六面体共有六面体共有8 8个顶角，其中个顶角，其中2 2个由三面钝角组成个由三面钝角组成(称为钝隅称为钝隅)；而其余；而其余6 6

31、个则由一个钝角和两个锐个则由一个钝角和两个锐角组成。角组成。102o78o一个晶面一个晶面钝隅钝隅102o46第46页，本讲稿共66页 方方解解石石光光轴轴方方向向是是从从它它的的一一个个钝钝隅隅所所作作的的等等分分角角线线。即它与钝隅的三条棱边成等角。即它与钝隅的三条棱边成等角。1 1、光轴、光轴v 晶体内存在一个特殊方向晶体内存在一个特殊方向，当光在晶体中沿此方向当光在晶体中沿此方向传播时，不发生双折射现象，此特殊方向称为晶体的传播时，不发生双折射现象，此特殊方向称为晶体的光轴光轴。注意：光轴不是指一条特定的注意：光轴不是指一条特定的直线，而是一直线，而是一特定的方向。凡特定的方向。凡是与

32、此方向平行的直线方向均是与此方向平行的直线方向均为光轴方向。为光轴方向。钝隅钝隅47第47页，本讲稿共66页v 单轴晶体和多轴晶体单轴晶体和多轴晶体 一般晶体只有一个光轴，称为单轴晶体，例如冰一般晶体只有一个光轴，称为单轴晶体，例如冰洲石、石英、红宝石等；洲石、石英、红宝石等；也有些晶体有两个光轴或更多的光轴，它们称为也有些晶体有两个光轴或更多的光轴，它们称为双轴晶体或多轴晶体，双轴晶体或多轴晶体，如云母、硫磺、兰宝石等。如云母、硫磺、兰宝石等。我们只讨论单轴晶体。我们只讨论单轴晶体。48第48页，本讲稿共66页 2 2、主平面、主平面o o光和光和e e光都是线偏振光，且：光都是线偏振光，且

33、：光轴光轴O主主平平面面光轴光轴e主主平平面面晶体中任何一条折射线与光轴所组成的平面叫做晶晶体中任何一条折射线与光轴所组成的平面叫做晶体的主平面。体的主平面。晶体中有两种主平面，即晶体中有两种主平面，即o o光和光和e e光的主平面。光的主平面。o o光的振动方向垂直于自己的主平面；光的振动方向垂直于自己的主平面；e e光的振动方向平行于自己的主平面。光的振动方向平行于自己的主平面。49第49页，本讲稿共66页3 3、主截面、主截面如果某入射面与光轴共面，则该入射面就称之为主如果某入射面与光轴共面，则该入射面就称之为主截面。截面。若入射面为主截面，则若入射面为主截面，则o o光、光、光的主平面

34、重合，光的主平面重合，此时此时、光的振动方向互相垂直。光的振动方向互相垂直。50第50页，本讲稿共66页14.5.3 14.5.3 用惠更斯原理解释双折射现象用惠更斯原理解释双折射现象 发生双折射现象，主要是因为晶体的物理性质是各发生双折射现象，主要是因为晶体的物理性质是各向异性。晶体中的介电常数向异性。晶体中的介电常数 r r与方向有关，因而光在与方向有关，因而光在晶体中的传播速度晶体中的传播速度 与光的传与光的传播方向有关播方向有关,从而光在介质中的折射率与方向有关。从而光在介质中的折射率与方向有关。1 1、双折射中的速度特征、双折射中的速度特征o o光在各个方向上的传播速度相同：光在各个

35、方向上的传播速度相同：e e光在各方向上的传播速度不相同：光在各方向上的传播速度不相同：51第51页，本讲稿共66页 e e光不满足普通的折射定律，但仍然把光不满足普通的折射定律，但仍然把n ne e 叫作它的叫作它的 折射率。但此时折射率。但此时n ne e不再是常数。不再是常数。在各向异性的晶体内，传播速度既和振动方向在各向异性的晶体内，传播速度既和振动方向(指指 o o，e)e)有关，又和传播方向有关，又和传播方向(是否沿光轴是否沿光轴)有关。有关。其中其中n n0 0 ，n ne e 叫作晶体的主折射率叫作晶体的主折射率.沿光轴方向沿光轴方向 沿垂直光轴方向沿垂直光轴方向52第52页，

36、本讲稿共66页 2 2、o o光和光和e e光的子波面光的子波面 v o o光的子波面光的子波面在在各向同性媒质中，一子波源发出的波沿各方向的传各向同性媒质中，一子波源发出的波沿各方向的传播速度均为播速度均为V Vc/n c/n，经，经 t t后，形成的波面是一个半径为后，形成的波面是一个半径为V V t t的球面。的球面。o o光光在在单单轴轴晶晶体体中中的的传传播播规规律律与与在在各各向向同同性性媒媒质质中中一样。一样。因因此此，o o光光的的子子波波面面是是球球面面。经经 t t后后，形形成成的的波波面面是一个半径为是一个半径为V Vo o t t的球面。的球面。53第53页，本讲稿共6

37、6页v e e光的子波面光的子波面 e e光沿各个方向传播速度不同。光沿各个方向传播速度不同。沿光轴方向的传播沿光轴方向的传播速度与速度与o o光一样也是光一样也是V Vo o；垂直于光轴方向的速度是；垂直于光轴方向的速度是V Ve e。经经 t t后，后，e e光的子波面是绕光轴方向旋转的椭球面。光的子波面是绕光轴方向旋转的椭球面。在光轴方向，半径为在光轴方向，半径为 V Vo o t t；在垂直光轴方向，半；在垂直光轴方向，半径为径为V Ve e t.t.VoVe光轴光轴54第54页，本讲稿共66页3 3、正晶体和负晶体、正晶体和负晶体正晶体正晶体 V Vo o V Ve e e e光的波

38、面在光的波面在o o光波面内。光波面内。负晶体负晶体 V Ve e VVo o e e光的波面在光的波面在o o光波面外。光波面外。在垂直于光轴的方向上在垂直于光轴的方向上55第55页，本讲稿共66页o o光和光和e e光的子波面在光轴方向上相切；在垂直光轴方光的子波面在光轴方向上相切；在垂直光轴方向上，两波面相距最远。向上，两波面相距最远。光轴光轴正晶体正晶体负晶体负晶体o光光e光光光轴光轴56第56页，本讲稿共66页 *14146 6 偏振光的干涉偏振光的干涉 人为双折射现象人为双折射现象14.6.1 14.6.1 椭圆偏振光与圆偏振光波片椭圆偏振光与圆偏振光波片 利用振利用振动动方向相互

39、垂直的两个同方向相互垂直的两个同频频率率简谐简谐振振动动的合的合成可以成可以获获得得椭圆椭圆偏振光和偏振光和圆圆偏振光偏振光.图图14.18椭圆偏振光的获得椭圆偏振光的获得57第57页，本讲稿共66页P为为偏振片，偏振片，C为单轴为单轴薄晶片，其光薄晶片，其光轴轴平行于晶面且与平行于晶面且与P的透的透光光轴夹轴夹角角为为.单单色自然光通色自然光通过过偏振片后，成偏振片后，成为线为线偏振光，偏振光，设设其振幅其振幅为为E，光振，光振动动方向与晶片方向与晶片C光光轴轴方向的方向的夹夹角角为为，该线该线偏振光垂直偏振光垂直于光于光轴进轴进入晶片后分解入晶片后分解为为o，e两光，仍沿原方向前两光，仍沿

40、原方向前进进(此此时时o，e光两主平面重合，且就在它光两主平面重合，且就在它们们的的传传播方向与光播方向与光轴轴所在的平面内所在的平面内)，o光的光振光的光振动动垂直于主平面垂直于主平面(即垂直于光即垂直于光轴轴)，e光的光振光的光振动动则则平行于光平行于光轴轴，其振幅分，其振幅分别为别为EoEsin，EeEcos.由于由于两光在晶体中的两光在晶体中的传传播速度不同，晶片播速度不同，晶片对对o，e光的主折射率光的主折射率(e光光在垂直于光在垂直于光轴轴方向的折射率方向的折射率)no和和ne亦不相同，所以通亦不相同，所以通过过厚度厚度为为d的晶片后，它的晶片后，它们们之之间间将出将出现现位相差位

41、相差 58第58页，本讲稿共66页则则通通过过晶片后的合成光晶片后的合成光为为正正椭圆椭圆偏振光偏振光.由于由于这时这时o，e光通光通过过晶片后的光程差晶片后的光程差为为选择晶片厚度选择晶片厚度d，使得位相差，使得位相差 所以这样厚度的晶片称为四分之一波片所以这样厚度的晶片称为四分之一波片.59第59页，本讲稿共66页波片波片C为为四分之一波片，且四分之一波片，且 时时，则则晶体中晶体中o光与光与e光的振幅相等，即光的振幅相等，即EoEe，此，此时时通通过过晶片后的光将晶片后的光将成成为为圆圆偏振光偏振光.如果将晶片如果将晶片C换换成二分之一波片，成二分之一波片，仍保持仍保持 ，则则o光、光、

42、e光通光通过过晶片后的位相差晶片后的位相差为为，且振幅相等，合成后仍，且振幅相等，合成后仍为为线线偏振光偏振光，不，不过过振振动动方向将旋方向将旋转转90.60第60页，本讲稿共66页14.6.2 14.6.2 偏振光的干涉偏振光的干涉图图14.1914.19是是观观察偏振光干涉的装置察偏振光干涉的装置.P.P1 1，P P2 2是两个透光是两个透光轴轴互相互相垂直的偏振片，垂直的偏振片，C C为为薄晶片，其光薄晶片，其光轴轴平行于晶体表面平行于晶体表面.单单色自然光色自然光垂直入射于偏振片垂直入射于偏振片P P1 1，通，通过过P P1 1后成后成为线为线偏振光，入射到晶片偏振光，入射到晶片

43、时时分解分解为为o o光和光和e e光，通光，通过过晶片后晶片后则则成成为为光振光振动动方向相互垂直且有方向相互垂直且有一定位相差的两束光一定位相差的两束光.这这两束光射入偏振片两束光射入偏振片P P2 2时时，只有与，只有与P P2 2透光透光轴轴平行的分振平行的分振动动才可以通才可以通过过，这样这样就得到了两束相干的就得到了两束相干的线线偏振光偏振光.图图14.19偏振光的干涉偏振光的干涉61第61页，本讲稿共66页二者振幅相等二者振幅相等.图图14.20是通是通过过偏振片偏振片P1、薄晶片、薄晶片C和偏振片和偏振片P2的光的的光的振幅矢量振幅矢量图图.这这两束光透两束光透过过P2后的振幅

44、分后的振幅分别为别为图图14.20偏振光干涉振幅矢量图偏振光干涉振幅矢量图由由以以上上分分析析可可知知，透透过过偏偏振振片片P2的的两两束束光光是是频频率率相相同同、振振动动方方向向相相同同、振振幅幅相相等等和和位位相相差差恒恒定定的的相相干干光光，因因而而可可以以观观察察到到偏偏振振光的干涉光的干涉现现象象.62第62页，本讲稿共66页在在P2后后观观察到的光察到的光强强决定于两束透射光的决定于两束透射光的总总位相差位相差式中第一式中第一项为项为两光通两光通过过厚度厚度为为d的晶片所的晶片所产产生的位相生的位相差；第二差；第二项项是由于是由于E2o和和E2e方向相反而引起的附加位方向相反而引

45、起的附加位相差相差.由此可知干涉的明暗条件为由此可知干涉的明暗条件为 如果晶片如果晶片C是劈尖形状，则视场将出现明暗相间的干涉是劈尖形状，则视场将出现明暗相间的干涉条纹条纹.63第63页，本讲稿共66页14.6.3 14.6.3 人为双折射现象人为双折射现象某些非晶体在受到外界作用某些非晶体在受到外界作用(如机械力，电场或磁场等如机械力，电场或磁场等作用作用)时，失去各向同性的性质，也呈现出双折射现象，时，失去各向同性的性质，也呈现出双折射现象，称为称为人为双折射现象人为双折射现象.1.1.光弹性效应光弹性效应应力双折射应力双折射 本本来来是是透透明明的的各各向向同同性性的的介介质质在在机机械

46、械应应力力作作用用下下，显显示示光光学学上上的的各各向向异异性性，这这种种现现象象叫叫做做光光弹弹性性效应，有时也称做机械双折射或应力双折射效应，有时也称做机械双折射或应力双折射.64第64页，本讲稿共66页2.2.克尔效应克尔效应电致双折射电致双折射 某某些些非非晶晶体体或或液液体体在在强强电电场场作作用用下下，使使分分子子定定向向排排列列，从从而而获获得得类类似似于于晶晶体体的的各各向向异异性性性性质质，这这一现象称为克尔效应一现象称为克尔效应.65第65页，本讲稿共66页 *14147 7 旋光现象旋光现象 当当线线偏偏振振光光通通过过某某些些透透明明物物质质时时，线线偏偏振振光光的的振振动动面面将将旋旋转转一一定定的的角角度度，这这种种现现象象称称为为振振动动面面的的旋转，也称旋转，也称旋光现象旋光现象.能能使使振振动动面面旋旋转转的的物物质质称称为为旋旋光光物物质质，如如石石英英、糖糖和和酒酒石石酸酸等等溶溶液液都都是是旋旋光光物物质质.实实验验证证明明，振振动动面面旋旋转转的的角角度度决决定定于于旋旋光光物物质质的的性性质质、厚厚度度或或浓浓度度以以及入射光的波长等及入射光的波长等.66第66页，本讲稿共66页