大学物理第四册第五章.ppt

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1、第五章第五章（PolarizationoflightPolarizationoflight）光光 的的 偏偏 振振15.15.1光的偏振状态光的偏振状态5.25.2线偏振光的获得与检验线偏振光的获得与检验5.35.3反射和折射光的偏振反射和折射光的偏振，*散射光的偏振散射光的偏振5.4 双折射现象双折射现象5.5 椭圆椭圆偏振光和圆偏振光偏振光和圆偏振光5.6 偏振光的干涉偏振光的干涉 5.7 人工双折射人工双折射5.8 旋光现象旋光现象本章目录本章目录25.15.1光的偏振状态光的偏振状态一一.完全偏振光完全偏振光E播播传传方方向向振振动动面面面对光的传播方向看面对光的传播方向看线偏振光可沿

2、两个相互垂直的方向分解线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：EEyEx yx 1.线偏振光线偏振光（linearly polarized light）表示法：表示法：光振动垂直板面光振动垂直板面光振动平行板面光振动平行板面3右旋圆右旋圆偏振光偏振光 0 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E2.2.圆偏振光圆偏振光（circularly polarized light）和和 线、圆和椭圆偏振光均称为线、圆和椭圆偏振光均称为完全偏振光。完全偏振光。椭圆偏振光椭圆偏振光（elliptically polarized light）右旋椭圆

3、右旋椭圆偏振光偏振光4为某个确定值的为某个确定值的线偏振光的合成。线偏振光的合成。右旋圆偏振光的合成。右旋圆偏振光的合成。圆圆和和椭圆偏振光椭圆偏振光可看成是两束频率相同、可看成是两束频率相同、传播方向一致、传播方向一致、振动方向相互垂直、振动方向相互垂直、相位差相位差反之，反之，线偏振光线偏振光则可以看成是两束频率相同、则可以看成是两束频率相同、相位相同、相位相同、振幅相同、振幅相同、传播方向亦相同的传播方向亦相同的左、左、相位差相位差 /2或或3 /2x y yx x，y振幅相同，振幅相同，相位差不等于相位差不等于 0，和和 2 /2，3 /25二二.自然光自然光（natural ligh

4、t）垂直的、等幅的、垂直的、等幅的、不相干不相干的线偏振光。的线偏振光。自然光的表示法：自然光的表示法：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一束自然光可分解为两束振动方向相互非相干非相干6三三.部分偏振光部分偏振光表示法：表示法：自然光和完全偏振光的混合，就构成了自然光和完全偏振光的混合，就构成了部分部分最常讨论的部分偏振光可看成是自然最常讨论的部分偏振光可看成是自然光和线偏振光的混合，光和线偏振光的混合，偏振光。偏振光。分解分解非相干非相干平平行行板板面面的的光振动较强光振动较强 垂垂直直板板面面的的光振动较强光振动较强反射光反射光就是这种部分偏

5、振光，就是这种部分偏振光，天空的散射光和水面的天空的散射光和水面的它可以分解如下：它可以分解如下：7四四.偏振度偏振度（degree of polarization）I Ip p 部部分分偏偏振振光光中中包包含含的的完完全全偏偏振振光光的的强强度度I Itt 部分偏振光的总强度部分偏振光的总强度I Inn 部分偏振光中包含的自然光的强度部分偏振光中包含的自然光的强度完全偏振光完全偏振光（线、圆、椭圆）（线、圆、椭圆）PP=1=1自然光自然光（非偏振光）非偏振光）PP=0=0部分偏振光部分偏振光00P P1 no负晶体：负晶体：n ne enno ovo t ve t光轴光轴 点波源点波源点波源

6、点波源vo tve t光轴光轴 e光：光：(vevo o)如：石英、冰如：石英、冰如：方解石、红宝石如：方解石、红宝石vo t光轴光轴光轴光轴ve tvo t34 ee三三.单轴晶体中光传播的惠更斯作图法单轴晶体中光传播的惠更斯作图法1.1.光轴平行晶体表面，自然光垂直入射光轴平行晶体表面，自然光垂直入射光轴光轴晶晶体体o o、e e方向上虽没分开，方向上虽没分开，下面下面以负晶体以负晶体(ve evo o)为为例例，介绍该方，介绍该方法法：oo但速度上是分开的，但速度上是分开的，这仍是双折射。这仍是双折射。以惠更斯原理为依据的惠更斯作图法，以惠更斯原理为依据的惠更斯作图法，是研究光在晶体中传

7、播的重要方法。是研究光在晶体中传播的重要方法。35o e2.2.光轴平行晶体表面，且垂直入射面，光轴平行晶体表面，且垂直入射面，晶体晶体 光轴光轴reivotve eto ect自然光斜入射自然光斜入射在这种特殊的情况下，对在这种特殊的情况下，对e 光也可以用光也可以用折射定律。折射定律。r0363.3.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 e方解石方解石光光轴轴o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。ooee晶体晶体光光轴轴这正是前面演示的情形。这正是前面演示的情形。注意：注意：375.55.5椭圆椭圆偏振光和圆偏振光偏振光和圆

8、偏振光一一.晶体起偏器件晶体起偏器件 1.1.晶体的二向色性、晶体偏振器晶体的二向色性、晶体偏振器某些晶体对某些晶体对o光和光和e光的吸收有很大差异，光的吸收有很大差异，例如，电气石对例如，电气石对o光有强烈吸收，光有强烈吸收，光轴光轴e光光电气石电气石光轴光轴对对e光光吸收很弱，吸收很弱，用它就用它就可可以以产生线偏振光。产生线偏振光。这叫晶体的这叫晶体的二向色性二向色性（dichroism）。）。382.2.偏振棱镜偏振棱镜偏光棱镜：偏光棱镜：光轴的光轴的取向使取向使e光对光对应的恰是应的恰是 ne。no（1.6584）n（1.55）ne（1.4864）i 临界角，临界角，o 光全反射了，

9、光全反射了，e 光可通过。光可通过。偏振棱镜偏振棱镜可由自然光获得可由自然光获得高质量高质量的线偏振光，的线偏振光，可由自然光获得原方向的线偏振光可由自然光获得原方向的线偏振光如：如：光轴光轴光轴光轴方解石方解石方解石方解石加加拿拿大大树树胶胶(n=1.55)oe吸收涂层吸收涂层i格兰格兰汤姆孙棱镜汤姆孙棱镜它又可它又可分为分为偏光棱镜偏光棱镜和和偏光分束棱镜偏光分束棱镜。39偏光分束棱镜：偏光分束棱镜：可由自然光获得可由自然光获得分开的两束线偏振光。分开的两束线偏振光。e12方解石方解石方解石方解石 oe光轴光轴光轴光轴沃拉斯顿棱镜沃拉斯顿棱镜o如：如：光进入到第光进入到第1块方块方解石后，

10、解石后，o光和光和 e光在光在方向上没有分开，方向上没有分开，由于方解石由于方解石2和方解石和方解石1二者光轴垂直，当光进二者光轴垂直，当光进入到方解石入到方解石2时，时，o 光变成光变成e光，光，e光变成光变成o 光，光，于是两光束在界面处发生折射而分开。于是两光束在界面处发生折射而分开。40二二.晶体相移器件，圆和椭圆偏振光的起偏晶体相移器件，圆和椭圆偏振光的起偏1.1.晶片晶片相位延迟片相位延迟片晶片晶片是是光轴平行表面的晶体薄片。光轴平行表面的晶体薄片。y dxAAoAe线偏振光线偏振光光轴光轴 AAoAe 光轴光轴P振幅关系：振幅关系：椭圆偏振光椭圆偏振光d光轴光轴晶片晶片从晶片出射

11、的从晶片出射的两束光两束光由于出现相位差，由于出现相位差，而而合成为一束合成为一束椭圆偏振光。椭圆偏振光。41通过厚为通过厚为d的晶片，的晶片，o o、e e光产生相位差光产生相位差为为：则出射光为圆偏振光。则出射光为圆偏振光。若若且且y dxAAoAe线偏振光线偏振光光轴光轴 椭圆偏振光椭圆偏振光d光轴光轴晶片晶片或圆或圆偏振光偏振光42 2.2.波（晶）片波（晶）片（1 1）四分之一波片）四分之一波片（quarter-wave plate）线偏振光线偏振光圆偏振光圆偏振光线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光可从线偏振光获得椭圆或圆偏振光可从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）（或相反）（是对某

12、个确定波长（是对某个确定波长 而言的）而言的）波片厚度满足波片厚度满足线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光43（2 2）二分之一波片）二分之一波片可使线偏振光振动面转过可使线偏振光振动面转过2 2 角度角度 Ao入入Ao出出A入入A出出Ae入入=Ae出出光轴光轴（3 3）全波片）全波片三三.椭圆与圆偏振光的检偏椭圆与圆偏振光的检偏用四分之一波片和偏振片用四分之一波片和偏振片可区分出可区分出自然光自然光和和或或部分偏振光部分偏振光和和椭圆偏振光。椭圆偏振光。圆偏振光，圆偏振光，44 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

13、线偏振光 I不变不变线偏振光线偏振光I 变，有消光变，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，有消光变，有消光 部分部分偏振光偏振光 光轴平行最大光强或最小光强方向放置光轴平行最大光强或最小光强方向放置线偏振光线偏振光I变变,无消光无消光或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置45 如何区分由自然光和椭圆偏振光组成的如何区分由自然光和椭圆偏振光组成的 部分偏振光与由自然光和线偏振光组成部分偏振光与由自然光和线偏振光组成 的部分偏振光？

14、的部分偏振光？思考思考 如何区分由自然光和圆偏振光组成的部分如何区分由自然光和圆偏振光组成的部分 偏振光与自然光？偏振光与自然光？演示演示 四分之一波片四分之一波片（KG031）二分之一波片二分之一波片（KG030）465.65.6偏振光的干涉偏振光的干涉一一.偏振光干涉装置偏振光干涉装置偏振化方向偏振化方向偏振片偏振片P2 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 d晶片晶片C光轴方向光轴方向二二.偏振光干涉的分析偏振光干涉的分析1.1.振幅关系振幅关系AoA2oP2P1CA1AeA2e 在在P P2 2 后：后：相干相干在在P P1 1 后：后：屏屏47通过晶体通过晶体C

15、C后：后：此两束光合成为一束椭圆偏振光。此两束光合成为一束椭圆偏振光。再通过再通过P P2 2 后：后：2.2.相位关系相位关系相长干涉相长干涉 相消干涉相消干涉若单色光入射，若单色光入射，则屏上为等厚条纹。则屏上为等厚条纹。且且d不均匀，不均匀，（若（若P P1 1、P P2 2夹角小于夹角小于，则无附加相位差则无附加相位差）48石英劈尖的偏振光干涉（等厚条纹）石英劈尖的偏振光干涉（等厚条纹）49于某种颜色干涉相消，而呈现它的于某种颜色干涉相消，而呈现它的互补色，互补色，三三.色偏振色偏振（chromatic polarization）若白光入射，且晶片若白光入射，且晶片d 均匀，均匀，若若

16、d不均匀，则屏上出现彩色条纹。不均匀，则屏上出现彩色条纹。红色红色（656.2 nm）相消相消如：如：蓝色蓝色（485.4nm）相消相消玻璃纸厚度不同的色偏振玻璃纸厚度不同的色偏振（KG033）色偏振是检验材料有无双折射效应的灵敏方法，色偏振是检验材料有无双折射效应的灵敏方法，用显微镜观察各种材料在白光下的色偏振，用显微镜观察各种材料在白光下的色偏振，分析物质内部的某些结构分析物质内部的某些结构 偏光显微术。偏光显微术。则：屏上则：屏上由由这叫（显）这叫（显）色偏振色偏振。绿色绿色（492.1nm）；）；黄色黄色（585.3 nm）。）。演示演示可以可以50硫代硫酸钠晶片的色偏振图片硫代硫酸钠

17、晶片的色偏振图片51 5.75.7人工双折射人工双折射人为地造成各向异性，而产生双折射。人为地造成各向异性，而产生双折射。一一.光弹效应光弹效应（photoelastic effect）应力应力各向异各向异性性在一定应力范围内：在一定应力范围内：光弹效应也叫光弹效应也叫应力双折射效应。应力双折射效应。v 各向不同各向不同n各向不同各向不同FFP1P2 dS干涉干涉有机玻璃有机玻璃C52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，演示演示模模型型的的光光弹弹图图象象吊吊钩钩的的光光弹弹图图象象变变变变干涉干涉情况变。情况变。（KG032）应力双折射应力双折射53二二.电光效应电光

18、效应（electro optic effect）电光效应电光效应也叫也叫电致双折射效应。电致双折射效应。1.1.克尔效应克尔效应（kerr effect）（18751875年）年）45 P2盒内充某种液体，如硝基苯（盒内充某种液体，如硝基苯（C6H5NO2）l+-克尔盒克尔盒dP145 不加电场不加电场液体各向同性液体各向同性P P2 2不透光；不透光；加电场加电场液体呈单轴晶体性质，液体呈单轴晶体性质，光轴平行电场强度光轴平行电场强度 P P2 2透光。透光。54二次电光效应二次电光效应k 克尔常数，克尔常数，UU 电压电压克尔效应引起的相位差为：克尔效应引起的相位差为：则产生则产生硝基苯硝

19、基苯，若若 l=3cm3cm，d=0.8cm0.8cm，对对 =600nm的黄光，的黄光，时时，克尔盒相当半波片，克尔盒相当半波片，P P2 2透光最强透光最强。时的电压时的电压 k=55可作为可作为光开关光开关（响应时间（响应时间 10 9s），），克尔盒的应用：克尔盒的应用：克尔盒的缺点：克尔盒的缺点：和加数万伏的高电压，和加数万伏的高电压，用于高速摄影、用于高速摄影、激光通讯、激光通讯、光速测距、光速测距、脉冲激光系统（作为脉冲激光系统（作为Q开关）开关）硝基苯有毒，硝基苯有毒，需要极高的纯度需要极高的纯度故现在很少用。故现在很少用。易爆炸，易爆炸，562.2.泡克尔斯效应泡克尔斯效应（

20、pockels effect）（18931893年）年）。电光晶体电光晶体+。-P1P2KK 泡克尔斯盒泡克尔斯盒光传播方向与电场平行，光传播方向与电场平行，电极电极K和和 K透明，透明，晶体是单轴晶体，晶体是单轴晶体，不加电场不加电场 P P2 2 不透光。不透光。加电场加电场晶体变双轴晶体晶体变双轴晶体了双折射效应了双折射效应原光轴方向附加原光轴方向附加 P P2 2 透光。透光。光轴沿光轴沿光传播方向。光传播方向。57no o光在晶体中的折射率；光在晶体中的折射率；泡克尔斯效应引起的相位差：泡克尔斯效应引起的相位差：线性电光效应线性电光效应r 电光常数；电光常数；时，时，P2透光最强。透

21、光最强。KH2PO4（KDP）、）、NH4H2PO4（ADP）等等 对对 =546nm的绿光，的绿光，如如KDP no=1.51，U 电压。电压。激光调激光调Q，超高速开关（响应时间小于超高速开关（响应时间小于10 9s），），数据处理数据处理显示技术，显示技术，应用：应用：单晶都具有线性电光效应。单晶都具有线性电光效应。58后空翻动作后空翻动作高速摄影图片：高速摄影图片：击高尔夫球的动作击高尔夫球的动作59牛牛奶奶滴滴向向盘盘中中的的牛牛奶奶60子弹射穿苹果的瞬间子弹射穿苹果的瞬间61三三.磁致双折射磁致双折射科顿科顿穆顿穆顿（Cotton-Mouton）效应：效应：某些透明液体在磁场某些透

22、明液体在磁场H作用下变为各向异性，作用下变为各向异性，HC 二次效应二次效应需要很强的磁场才能观察到。需要很强的磁场才能观察到。性质类似于单轴晶体，光轴平行磁场。性质类似于单轴晶体，光轴平行磁场。625.85.8旋光现象旋光现象一一.物质的旋光性物质的旋光性（optical activity）除石英外，氯酸钠、乳酸、松节油、糖的除石英外，氯酸钠、乳酸、松节油、糖的 旋光物质旋光物质 a 旋光率旋光率 l1811年，法国物理学家年，法国物理学家阿喇果阿喇果（Arago）其其振动面能发生旋转，振动面能发生旋转，发现，发现，线偏振光沿光轴方向通过石英晶体时，线偏振光沿光轴方向通过石英晶体时，这称为这

23、称为旋光现象。旋光现象。光轴光轴水溶液等也都具有水溶液等也都具有旋光性。旋光性。演示演示石英晶体的旋光现象石英晶体的旋光现象（KG026）63二二.菲涅耳对旋光性的解释菲涅耳对旋光性的解释 线线偏偏振振光光可可看看作作是是同同频频率率、等等振振幅幅、有有确确定定相位差的左相位差的左(L L)、右右(R)旋圆偏振光的合成。旋圆偏振光的合成。实验表明，旋光率实验表明，旋光率 a 与旋光物质和入射波长与旋光物质和入射波长有关，有关，对于溶液，还和旋光物质的浓度有关。对于溶液，还和旋光物质的浓度有关。石英对石英对 =589nm的黄光，的黄光，a=21.75/mm；而对而对 =408nm的紫光，的紫光，

24、a=48.9/mm。同一种物质也可以有同一种物质也可以有左旋体左旋体和和右旋体，右旋体，物质的旋光性是和物质原子排列结构有关的，物质的旋光性是和物质原子排列结构有关的，原子排列互为镜像对称，原子排列互为镜像对称，它们的它们的称为称为同分异构体。同分异构体。64光通过旋光物质后，初相位光通过旋光物质后，初相位EELERO 在出射面上：在出射面上：设入射时设入射时L、R初相为初相为0 0，旋光物质长为旋光物质长为l l，同一时刻同一时刻光通过光通过左旋左旋物质物质显然此物质为左旋体。显然此物质为左旋体。初相初相初相初相要滞后。要滞后。ELERE入射面入射面(a)出射面出射面(b)ELERE R L

25、 65由图示：由图示：令令 旋光率旋光率则则(a)(b)d出射面出射面(b)ELERE R L ELERE入射面入射面(a)这既解释了旋光现象，这既解释了旋光现象，与物质（由与物质（由nR和和nL反映）反映）和入射波长有关。和入射波长有关。又说明了又说明了旋光率旋光率a66RRRLL 如图示，用左旋型（如图示，用左旋型（L）和右旋型（和右旋型（R）的石英的石英证实了自己的假设。证实了自己的假设。菲涅耳进行了如下实验，菲涅耳进行了如下实验，棱镜交替胶合成多级组合棱镜。棱镜交替胶合成多级组合棱镜。光从光从 R 进入进入 L 时，时，左旋光速度由小变大，左旋光速度由小变大，RL右旋光速度由大变小，将

26、靠近界面法线折射。右旋光速度由大变小，将靠近界面法线折射。光密媒质光密媒质光疏媒质，光将远离界面法线折射。光疏媒质，光将远离界面法线折射。各界面继续使左右旋圆偏振光分开的角度放大，各界面继续使左右旋圆偏振光分开的角度放大，射出棱镜时就成了两束分开的圆偏振光。射出棱镜时就成了两束分开的圆偏振光。从从67三三.量糖术量糖术对旋光溶液有对旋光溶液有CC 溶液的浓度，溶液的浓度，“量糖计量糖计”可分析旋光（同分）异构体的成分，可分析旋光（同分）异构体的成分，例如：氯霉例如：氯霉广泛用在化学和制药等工业中。广泛用在化学和制药等工业中。素天然品为左旋体，素天然品为左旋体，称合霉素，其中只左旋有疗效。称合霉

27、素，其中只左旋有疗效。分离出左旋品（左霉素），分离出左旋品（左霉素），疗效同天然品。疗效同天然品。用用量糖术可量糖术可 a a CC=a a 溶液的旋光率，溶液的旋光率，=a C l a a 溶液的溶液的比旋光率。比旋光率。合成品为左、右旋各半，合成品为左、右旋各半，68四四.磁致旋光磁致旋光（magnetic opticity）l磁致旋光物质磁致旋光物质B旋转的角度旋转的角度 VV费德尔常量，费德尔常量，水、二硫化碳、水、二硫化碳、食盐、乙醇等食盐、乙醇等对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是由对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是由都是磁致旋光都是磁致旋光物质。物质。旋光物质本身决定的，旋光物

28、质本身决定的，与光的传播方向无关。与光的传播方向无关。69反射镜反射镜入射光入射光 左旋左旋反射镜反射镜反射光反射光 左旋左旋自然旋光物质自然旋光物质70反射镜反射镜反射光反射光 右旋右旋 B反射镜反射镜入射光入射光 左旋左旋B对磁致旋光物质，光沿对磁致旋光物质，光沿与逆与逆方向传播，方向传播，磁性旋光物质磁性旋光物质振动面旋向相反。振动面旋向相反。71光隔离器：光隔离器：这样可以消除反射光的干扰。这样可以消除反射光的干扰。“波动光学波动光学”全部结束全部结束磁致旋光效应的应用：磁致旋光效应的应用：研究物质结构研究物质结构 测电流和磁场测电流和磁场 磁光调制磁光调制 BPM 磁致旋光物质磁致旋光物质令令 =45，则则 2 =90，反射光通不过反射光通不过P72