第六章光的偏振课件.ppt

《第六章光的偏振课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第六章光的偏振课件.ppt（144页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第六章第六章 光的偏振光的偏振&光在晶体中的传播光在晶体中的传播第六章第六章第六章第六章 光的偏振和光在晶体中的传播光的偏振和光在晶体中的传播光的偏振和光在晶体中的传播光的偏振和光在晶体中的传播1、自然光和偏振光2、起偏器与检偏器、马吕斯定律3、菲涅耳公式（补充内容）（补充内容）4、双折射现象5、惠更斯作图6、波片和补偿器7、偏振光的干涉8、人为双折射9、旋光性,测糖术光波是横波。光波是横波。将平面电磁波函数代入E=0和H=0，得到Ek和Hk，即电磁场振荡方向与波矢方向正交，在与波矢正交的横平面中振荡，即自由空间中光波为横波。电场和磁场之间正交和同步。电场和磁场之间正交和同步。可知：偏振态偏振

2、态偏振态偏振态:电场矢量在与光传播方向垂直的平面内的振动状态。电场矢量在与光传播方向垂直的平面内的振动状态。线线偏振光偏振光 自然光自然光 部分偏振光部分偏振光 椭圆偏振光椭圆偏振光 圆偏振光圆偏振光1 1、线偏振光、线偏振光、线偏振光、线偏振光E播播传传方方向向振振动动面面线偏振光可线偏振光可沿两个相互沿两个相互垂直的方向垂直的方向分解分解EEyEx yx 面对光的传播方向看面对光的传播方向看线偏振光的表示法线偏振光的表示法：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2.2.2.2.自然光自然光自然光自然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一一束束自自然然光光可可

3、分分解解为为两两束束振振动动方方向向相相互互垂垂直直的的、等等幅幅的的、无无固固定相位关系定相位关系的线偏振光。的线偏振光。自然光的表示法自然光的表示法：3.3.3.3.部分偏振光部分偏振光部分偏振光部分偏振光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 部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、无固定相位关系线偏振光。部分偏振光的表示法部分偏振光的表示法：平行板面的光振动较强垂直板面的光振动较强偏振度：偏振度：偏振度：偏振度：式中Imax和Imin分别是最大振幅和最小振幅对应的光强。对于线偏振光，Imin=0，P=1。对于自然光，Imax=Imin，P=0.对于部分偏振光，

4、0P0,正入射时表示反射光振动方向与入射方向相反，即反射光位相变化180度对S光，若rsn2时，tp=ts1,是否违背光能流守恒？关于这个问题我们引进光强反射率和透射率，及光功率反射率和透射率 光强反射率和透射率光强反射率和透射率光强I=nE02，光强反射率和透射率：注意：对于斜入射的光，原因是：光强I是光功率面密度，其单位是为瓦/米2(W/m2)。若考虑光功率应该记及光强和正截面两个因素。光功率反射率和透射率光功率反射率和透射率i1i2S2S1S1光功率守恒：布儒斯特角布儒斯特角布儒斯特角布儒斯特角根据以上讲的光强反射率和入射角的关系公式可以得出光强反射率曲线：+iB为布儒斯特角玻片组透射光

5、的偏振度玻片组透射光的偏振度玻片组透射光的偏振度玻片组透射光的偏振度利用p光和s光的光强反射率、折射率不同的特性，使用玻片组可以或得比较高偏振度的偏振光，下图为一例：注：偏振度的定义：斯托克斯倒逆关系斯托克斯倒逆关系斯托克斯倒逆关系斯托克斯倒逆关系斯托克斯倒逆光路方法巧妙地解决了n1/n2界面复振幅反射折射率（）和n2/n1界面复振幅反射折射率（）的关系。图中显示反射光行波和折射光行波均被抵消，当然另外两列光行波(1，rr，tt)和(rt，rt)也不复存在，即第三节第三节 反射光的相位变化反射光的相位变化反射光的相移变化曲线例题-菲涅耳棱镜产生圆偏振光反射光的相位突变问题维纳实验反射光的相位变

6、化曲线相移因子()的原始含义为：1.当=0，复振幅反射率为正实数，表明反射光振动态与局部坐标架(p,s)方向一致，但是并不意味着反射光和入射光振动态必定同相位。2.当=，复振幅反射率为负实数，表明反射光振动态与局部坐标架(p,s)方向相反，也不意味着反射光和入射光振动态必定反相位。3.当0，复振幅反射率为复数，表明反射光振动态介于局部坐标架(p,s)之间，入射光为线偏振，反射光则为椭圆偏振。反射光的相移变化曲线：（1）n1n2(1)n1n2，光疏介质到光密介质，相移变化比较简单，=0或者，如图：（2）n1n2，即光密到光疏，情况比较复杂，当入射角大约全反射临界角，相移因子由0连续变致，见下图：

7、（2）n1n2以上相移因子和入射角关系公式的推导：当入射角i1ic时，按照折射定律在形式上得：所以：令：于是：相移因子求得：注意：在基元波函数复数形式表示里，我们约定了相位的正负号；实际相位超前取负号，落后取正号，这个约定源于我们选用了故实际相位差(-)应该为正值，为正值。例题例题例题例题-菲涅耳棱镜产生圆偏振光菲涅耳棱镜产生圆偏振光设玻璃折射率n1=1.51，空气的折射率n2=1.0，以入射角i1=5120入射一线偏振光，且偏振方向与入射面成45夹角，相位1p1s=0，即在入射光局部坐标架(p1,s1)看来入射光是两个等相位和正交振动的合成，分析反射光的偏振态？首先判断入射角是否大于全反射临

8、界角：入射角大于临界角，所以使用下面的公式计算相移量：结果得：所以：结论结论结论结论：因为入射角大于临界角，所以实振幅反射率rs和rp等于1，故反射光为内正切于正方形边框的左旋斜椭圆偏振光。菲涅耳棱镜菲涅耳棱镜菲涅耳棱镜菲涅耳棱镜适当调整入射角，使得=45，在菲涅耳棱镜里发生两次全反射，s和p光的相位差为2=90，所以出射光为左旋圆偏振光。反射光的相位突变问题反射光的相位突变问题以上讲解的知识已经解决了这个问题，这里给出一个总结的结论；这些结论对于确定入射光和反射光的干涉场非常有用。半波损失：半波损失：在反射点入射光和反射光的线偏振态恰巧相反，也就是说相位相差，称之为半波损失。这意味着入射情况

9、为正入射和掠射。结论：结论：1.正入射时。n1n2,界面反射没有相位突变，即没有半波损失。2.掠射时。无论n1n2还是n1n2n3或n1n3，要计相位突变，即实际光程差为：ii.当n1n2n3或n1n2n3，没有相位突变，实际光程差为：对于入射角大于布儒斯特角的情况，请同学课下分析。对于入射角大于布儒斯特角的情况，请同学课下分析。例题：例题：如图一微波检测器安装在高出湖面h=0.5米处，一颗射电星体发射波长为=21厘米的微波,星体自水平面徐徐升起，微波检测器依次出现信号极大和极小，问当出现第一个极大时，星体相对于水平面的仰角？CB射电星体因为是掠射，所以要考虑相位突变，故实际光程差为：当出现第

10、一个极大时，于是：光与物质的相互作用，本质上是光与电子的相互作用。运动的电子既有电荷亦有磁矩，光是电磁波。在光与电子的相互作用中，是电场起主要作用，还是磁场起主要作用，还是电场和磁场起等同的作用？-维纳实验回答了这个问题。维纳实验维纳实验光疏到光密，正入射的反射光的电场矢量有半波损失，而磁场矢量没有。在a0点观察到的是暗纹，确定和乳胶相互作用过程中起作用的是光波的电矢量。维纳进一步作了更令人信服的实验：对于s光，记录到明暗条纹对于p光，记录到均匀黑度证明乳胶感光是电场所致，而磁场没有起作用。原子物理学从理论上可以估算出，光波中作用于电子电荷原子物理学从理论上可以估算出，光波中作用于电子电荷上电

11、场力远远大于作用于电子磁矩的磁场力。上电场力远远大于作用于电子磁矩的磁场力。第四节第四节第四节第四节 反射光的偏振态反射光的偏振态反射光的偏振态反射光的偏振态反射光的偏振态和入射光的偏振态、入射角和介质的折射率有关。举一特例-自然光入射（光疏到光密）几个常用结果几个常用结果几个常用结果几个常用结果：1.正入射时，若入射光为左旋偏振光，反射光为右旋偏振光，正入射时，若入射光为左旋偏振光，反射光为右旋偏振光，既适用于光疏到光密，也适用于光密到光疏。既适用于光疏到光密，也适用于光密到光疏。2.入射角等于布儒斯特角，反射光为入射角等于布儒斯特角，反射光为s偏振光。偏振光。3.当入射角大于全反射临界角，

12、若入射角为线偏振光（非当入射角大于全反射临界角，若入射角为线偏振光（非s偏偏振，也非振，也非p偏振），反射光为椭圆偏振光。偏振），反射光为椭圆偏振光。补充内容结束！补充内容结束！散射光的偏振散射光的偏振当阳光射入地球大气层时，遇到大气分子而被散射，在高空没有多少尘粒子，故当阳光射入地球大气层时，遇到大气分子而被散射，在高空没有多少尘粒子，故以分子散射以分子散射(瑞利散射瑞利散射)为主，散射光的光强与入射光的波长四次方成反比。阳光为主，散射光的光强与入射光的波长四次方成反比。阳光所含的七种色中，紫、蓝、青光等的波长短，被分子散射便强烈，而波长较长的所含的七种色中，紫、蓝、青光等的波长短，被分子散

13、射便强烈，而波长较长的橙光、红光等被散射便弱，在高空的散射光便以紫、蓝、青光等为主，综合的效橙光、红光等被散射便弱，在高空的散射光便以紫、蓝、青光等为主，综合的效果便使天空呈蔚蓝色。果便使天空呈蔚蓝色。尘粒和水滴的尺度一般大于等于可见光，这里的散射以米散射为主，米散射不遵尘粒和水滴的尺度一般大于等于可见光，这里的散射以米散射为主，米散射不遵从分子散射那样的散射规律而是遵从更复杂的规律，和波长没有明显的关系，阳从分子散射那样的散射规律而是遵从更复杂的规律，和波长没有明显的关系，阳光被散射后基本上仍为白光，比如白云。光被散射后基本上仍为白光，比如白云。瑞利散射：瑞利散射：瑞利散射：瑞利散射：在入射

14、光的激励下分子感生的电偶极矩为：电偶极矩辐射：辐射光强：所以：自然光：自然光：-+-+yxz线偏振光散射光偏振：自然光散射偏振：zx py入射自然光入射自然光 B 散射光散射光(部分偏振光部分偏振光)散射光散射光(线偏振光线偏振光)散射光散射光 (自然光自然光)太阳光本身并不是偏振光，但当它穿过大气层，受到大气分子或尘太阳光本身并不是偏振光，但当它穿过大气层，受到大气分子或尘埃等颗粒的散射后，便变成了部分偏振光。根据天空偏振光的图形，埃等颗粒的散射后，便变成了部分偏振光。根据天空偏振光的图形，就可以确定太阳的位置。蜜蜂的偏光导航仪是在头部的复眼中。它就可以确定太阳的位置。蜜蜂的偏光导航仪是在头

15、部的复眼中。它的复眼是由的复眼是由63006300只小眼组成的，每只小眼里有只小眼组成的，每只小眼里有8 8个作辐射状排列的个作辐射状排列的感光细胞，蜜蜂就是靠这些小眼来感受天空偏振光的。感光细胞，蜜蜂就是靠这些小眼来感受天空偏振光的。*散射光偏振和导航散射光偏振和导航散射光偏振和导航散射光偏振和导航通过动态光散射的方法可以测量大分子和胶体粒子的流体力学半径分布情况；通过静态光散射的方法可测量高聚物的重均分子量MW(weight averagedmolecularmass)，均方根旋转半径Rg（radiusofgyration）和第二维里系数A2(secondosmoticvirialcoef

16、ficient)。该仪器可测粒子大小为几个nm至1m，并具有不破坏体系原有状态的特征，因此在高分子与胶体化学，材料科学，生命科学等方面都得到广泛应用。*散射在化学中的应用：双折射现象双折射现象双折射现象双折射现象化学成分:AL2O3，三氧化二铝结晶晶系:三方晶系晶体形状:六方双锥和菱面体加六方柱物理性质:摩氏硬度计9:级（仅次于钻石）比重:4.00左右折射率:1.762-1.770双折射率:0.008化学成份：氧化铝铍(BerylliumAluminate,BeAl2O4)晶系：多是OrthorhombicTwin晶系；三个晶系孪生，产生一种六方对称的外貌硬度：8.5(仅次于红、蓝宝)比重：3

17、.71透明度：高至不透明折射率：1.74至1.75双折射：0.009红宝石（含铬或铁)猫眼石猫眼石宝石和双折射：宝石和双折射：宝石和双折射：宝石和双折射：从不同的方向看双折射的宝石，有机会看到不同深浅的颜色，甚至不同颜色。切磨专家在选择宝石的台面方向时，要顾及其不同的色泽，选择颜色最美丽的方向作为台面。eoo o光（寻常光）光（寻常光）遵守折射定律遵守折射定律e e光（光（非常光）非常光）不遵守折射定律不遵守折射定律所谓o光和e光，只在双折射晶体的内部才有意义，射出晶体以后，就无所谓o光和e光了。用检偏器来考察从晶体射出的两光束时，就会发现它们都是线偏振光。双折射光的偏振特点双折射光的偏振特点

18、光轴：光轴：光轴：光轴：光线在晶体中沿某一方向传播时不发生双光线在晶体中沿某一方向传播时不发生双光线在晶体中沿某一方向传播时不发生双光线在晶体中沿某一方向传播时不发生双折射现象，折射现象，折射现象，折射现象，这一方向称为晶体的光轴这一方向称为晶体的光轴这一方向称为晶体的光轴这一方向称为晶体的光轴.7878o o102102o o光轴光轴 天天然然方方解解石石晶晶体体是是一一六六面面棱棱体体,每每一一面面都都是是菱菱形形,大大角角约约为为102102o o,小小角角约约为为7878o o.六六面面体体中中有有两两个个相相对对的的分分别别由由三三个个钝钝角角围围成成的的顶顶角角,连连接接这这两两个

19、个顶顶角角,与与连连线线平平行行的的方方向向既既是是方方解解石石光光轴的方向轴的方向.单轴晶体：单轴晶体：单轴晶体：单轴晶体：只有一个光轴只有一个光轴只有一个光轴只有一个光轴(如如如如方解石、石英方解石、石英方解石、石英方解石、石英)的晶体的晶体的晶体的晶体双轴晶体：双轴晶体：双轴晶体：双轴晶体：有两个光轴有两个光轴有两个光轴有两个光轴(如如如如云母、硫磺云母、硫磺云母、硫磺云母、硫磺)的晶体的晶体的晶体的晶体主截面：主截面：主截面：主截面：光轴和晶体表面光入射点的法线组成的平面。光轴和晶体表面光入射点的法线组成的平面。光轴和晶体表面光入射点的法线组成的平面。光轴和晶体表面光入射点的法线组成的

20、平面。法线法线法线法线o o光光光光e e光光光光光轴光轴光轴光轴主平面主平面主平面主平面：晶体中光晶体中光晶体中光晶体中光（o o o o光或光或光或光或e e e e光）光）光）光）的传播方向与晶体光的传播方向与晶体光的传播方向与晶体光的传播方向与晶体光 轴构成的平面。轴构成的平面。轴构成的平面。轴构成的平面。e光光光轴光轴e光的光的主平面主平面o光光光轴光轴o光的光的主平面主平面o光光的的振动方向垂直于振动方向垂直于o光的主平面；光的主平面；e光光的的振动方向平行于振动方向平行于e光的主平面。光的主平面。当当o o光和光和e e光的主平面相互平行时光的主平面相互平行时,两光的振动互相垂直

21、两光的振动互相垂直.说明：说明：说明：说明：当入射面和主截面重合一致时，e光的偏折依然在入射面内；当入射面和主截面不一致时，则e光射线就可能不在入射面内。o光的偏折总在入射面内。寻常光（寻常光（o o光）：光）：(1)(1)是振动面垂直与自己的主平面的线偏振光是振动面垂直与自己的主平面的线偏振光;(2)(2)符合折射定律和反射定律符合折射定律和反射定律;(3)(3)沿各个方向折射率相同沿各个方向折射率相同(n no o),),传播速度相同传播速度相同.非常光非常光(e光光):):(1)(1)是振动面平行于自己的主平面的线偏振光是振动面平行于自己的主平面的线偏振光;(2)(2)一般不符合折射定律

22、一般不符合折射定律,在垂直于光轴的方向传播时符合折射定律在垂直于光轴的方向传播时符合折射定律.(3)(3)沿不同的方向折射率不同沿不同的方向折射率不同,传播速度不同传播速度不同.沿光轴的方向折射率和速沿光轴的方向折射率和速度为度为n no o与与o o光相同光相同.沿垂直于光轴的方向的折射率称为沿垂直于光轴的方向的折射率称为n ne e.n no o 和和n ne e成成为晶体的主折射率。为晶体的主折射率。晶体可分为正晶和负晶晶体可分为正晶和负晶.n ne e n no o的晶体的晶体,叫做正晶体叫做正晶体.如石英如石英.n ne e n no o的晶体的晶体,叫做负晶体叫做负晶体.如方解石如

23、方解石.光在晶中体波面光在晶中体波面光轴光轴eo oeo 光轴光轴O-xyzO-xyz是是方方解解石石晶晶体体内内的的三三维维坐坐标标,t=0t=0时时刻刻自自原原点点发发出出的的光光振振动动,在在t=tt=t时时刻刻,o o光光振振动动传传到到以以v v0 0t t为为半半径径的的球球面面上上.因因此此 ,o o光光的的波波面面图图是是球球面面.e e光光波波面面图图是是长长轴轴为为v ve et,t,短短轴轴为为v vo ot t,在在光光轴方向上外切球面的椭球面轴方向上外切球面的椭球面.负晶体负晶体负晶体负晶体正晶体正晶体e光轴光轴eo 光轴光轴(1)(1)作图法确定光在各向同性介质界面

24、上的反射和折射光方向作图法确定光在各向同性介质界面上的反射和折射光方向.用惠更斯原理确定反射光和折射光传播方向用惠更斯原理确定反射光和折射光传播方向n1n2用惠更斯原理确定反射光的传播方向.n1n2用惠更斯原理确定折射光的传播方向.空气空气空气空气晶体晶体晶体晶体用惠更斯作图法确定光在晶体中的传播方向用惠更斯作图法确定光在晶体中的传播方向用惠更斯作图法确定光在晶体中的传播方向用惠更斯作图法确定光在晶体中的传播方向例题例题例题例题1 1 1 1：负晶体方解石负晶体方解石负晶体方解石负晶体方解石光轴光轴光轴光轴以入射点为以入射点为以入射点为以入射点为中心，以中心，以中心，以中心，以1/n1/n1/

25、n1/no o o o为半径作圆。为半径作圆。为半径作圆。为半径作圆。以以以以1/n1/n1/n1/no o o o为短轴为短轴为短轴为短轴,1/n1/n1/n1/ne e e e为长轴作椭圆为长轴作椭圆为长轴作椭圆为长轴作椭圆空气空气空气空气晶体晶体晶体晶体例题例题例题例题2 2 2 2：方解石方解石光轴光轴光轴光轴以以AC/nAC/no o为半径作圆为半径作圆 以以AC/nAC/no o为短轴为短轴,AC/AC/n ne e长轴长轴,作椭圆作椭圆例题例题例题例题3 3 3 3：石英石英(正晶体正晶体)光轴垂直于入射面光轴垂直于入射面空气空气空气空气晶体晶体晶体晶体光轴光轴光轴光轴o oo

26、o e ee e 以AC/no为半径作圆以AC/ne为半径作圆光轴光轴eeo 光轴光轴空气空气空气空气方解石方解石光轴光轴光轴光轴ooee晶体晶体晶体晶体例题例题例题例题4 4空气空气空气空气石英石英石英石英石英石英光轴光轴光轴光轴ooee 例题例题例题例题5 5加拿大树胶加拿大树胶加拿大树胶加拿大树胶尼科尔棱镜尼科尔棱镜尼科尔棱镜尼科尔棱镜o68方解石晶体方解石晶体方解石晶体方解石晶体偏光棱镜偏光棱镜o68o68光轴光轴加拿大树胶加拿大树胶,对钠黄光的折射对钠黄光的折射率为率为1.55,1.55,介于方解石的介于方解石的n ne e=1.486=1.486和和n no o=1.658=1.6

27、58 之间之间.涂黑涂黑涂黑涂黑进入晶体发生双进入晶体发生双进入晶体发生双进入晶体发生双折射折射折射折射格兰格兰汤普森汤普森格兰格兰格兰格兰汤普森棱镜汤普森棱镜汤普森棱镜汤普森棱镜线偏振光线偏振光线偏振光线偏振光单色自单色自单色自单色自然光然光然光然光 光轴光轴光轴光轴方解石方解石方解石方解石涂黑涂黑涂黑涂黑 加拿加拿加拿加拿大树胶大树胶大树胶大树胶方解石制成的罗匈棱镜方解石制成的罗匈棱镜方解石制成的罗匈棱镜方解石制成的罗匈棱镜钠光自然光钠光自然光钠光自然光钠光自然光e e e e o o o o玻璃和方解石玻璃和方解石玻璃和方解石玻璃和方解石制成的偏振器制成的偏振器制成的偏振器制成的偏振器钠

28、光自然光钠光自然光钠光自然光钠光自然光e e e e o o o o波片波片波片波片 将单轴晶体切成的有一定厚度的晶体片，使其光轴平行于表面，叫做将单轴晶体切成的有一定厚度的晶体片，使其光轴平行于表面，叫做波片当光垂直通过波片时，在波片内分解为波片当光垂直通过波片时，在波片内分解为o o光光e e光，因在晶体内垂直于光，因在晶体内垂直于光轴传播，所以光轴传播，所以o o光光e e光的传播速度不同，这样，传播到波片的后表面光的传播速度不同，这样，传播到波片的后表面o o光光e e光就有了附加的相位差光就有了附加的相位差波片产生的相位差与波片的波片产生的相位差与波片的d,nd,no o和和 n n

29、e e有关有关光程差光程差方解石方解石光轴光轴光轴光轴ooeeo o o o光光光光e e e e光的相位差为：光的相位差为：光的相位差为：光的相位差为：若若若若 表示表示表示表示o o o o光落后光落后光落后光落后.若若若若 表示表示表示表示o o o o光超前光超前光超前光超前.光轴E0E0eE0o经过波片经过波片 光在波片内被分解为光在波片内被分解为光在波片内被分解为光在波片内被分解为o o o o光和光和光和光和e e e e光光光光,经过波片后可以认为强度没经过波片后可以认为强度没经过波片后可以认为强度没经过波片后可以认为强度没有变化有变化有变化有变化,但相位差发生变化但相位差发生

30、变化但相位差发生变化但相位差发生变化,因此光过波片后可能要引起偏振态因此光过波片后可能要引起偏振态因此光过波片后可能要引起偏振态因此光过波片后可能要引起偏振态的变化的变化的变化的变化.(1)(1)(1)(1)波长片波长片波长片波长片(或或或或 片片片片)当当当当即即即即时时时时,称为波长片称为波长片称为波长片称为波长片.入射偏振光通过波长片后不改变其偏振态。入射偏振光通过波长片后不改变其偏振态。入射偏振光通过波长片后不改变其偏振态。入射偏振光通过波长片后不改变其偏振态。经过波片当当当当(2)(2)(2)(2)二分之一波片二分之一波片二分之一波片二分之一波片(或或或或 /2/2/2/2片片片片)

31、即即即即时时时时,称为二分之一波片称为二分之一波片称为二分之一波片称为二分之一波片.oAeA经过波片(3)(3)(3)(3)四分之一波片四分之一波片四分之一波片四分之一波片 (或或或或 /4/4/4/4片片片片)时时时时,称为四分之一波长片称为四分之一波长片称为四分之一波长片称为四分之一波长片.当当当当线线线线偏振光入射到偏振光入射到偏振光入射到偏振光入射到 /4/4/4/4片时，出射光为椭圆偏振或片时，出射光为椭圆偏振或片时，出射光为椭圆偏振或片时，出射光为椭圆偏振或圆偏振光。相应地，当椭圆偏振或圆片真光入射到适当圆偏振光。相应地，当椭圆偏振或圆片真光入射到适当圆偏振光。相应地，当椭圆偏振或

32、圆片真光入射到适当圆偏振光。相应地，当椭圆偏振或圆片真光入射到适当的的的的 /4/4/4/4片后，出射光可以转变为线偏振光。片后，出射光可以转变为线偏振光。片后，出射光可以转变为线偏振光。片后，出射光可以转变为线偏振光。经过波片线偏振光通过线偏振光通过4波片后将波片后将变为椭圆变为椭圆(圆圆)偏振光偏振光圆或圆或主轴与波片光轴平行的主轴与波片光轴平行的正椭圆偏振光通过正椭圆偏振光通过4波片后波片后可变为线偏振光可变为线偏振光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P P 可区分出自然光和圆偏振可区分出自然光和圆偏振光或部分偏振光和椭圆偏振光光或部分

33、偏振光和椭圆偏振光.自然光自然光在晶体（在晶体（波片波片）内产生的）内产生的o o光和光和e e光虽然同频率光虽然同频率且振动方向相互垂直，但它们之间无固定的位相差，这样且振动方向相互垂直，但它们之间无固定的位相差，这样的光不能合成的光不能合成椭圆偏振光椭圆偏振光。检偏器检偏器 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

34、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 d2d1补偿器：补偿器：o光光e光光o光光e光光从1到2经过补偿器后两偏振光之间的相位差：偏振光的干涉偏振光的干涉光轴光轴晶体波片晶体波片P1P2A1P1P21、P1 P2它们之间的相位差：晶体双折射晶体双折射投影投影P1 A AA A A Ao o o oA A A Ae e e eA A A A2o2o2o2oA A A A2e2e2e2eP2光轴2、P1 P2它们之

35、间的相位差：晶体双折射晶体双折射当P1 P2满足亮条纹条件时，P1 P2为暗条纹当P1 P2满足暗条纹条件时，P1 P2为亮条纹两种情况互补，旋转第二个偏振片，从P1 P2到P1 P2观察的明暗互补 当偏振光的干涉装置中的晶片厚度不均匀时，具有相同厚度当偏振光的干涉装置中的晶片厚度不均匀时，具有相同厚度的地方，将产生同样的干涉光强，形成等厚干涉花样的地方，将产生同样的干涉光强，形成等厚干涉花样劈尖晶片的等厚干涉花样劈尖晶片的等厚干涉花样劈尖晶片的等厚干涉花样劈尖晶片的等厚干涉花样晶片晶片晶片晶片P P P P1 1 1 1偏振片偏振片偏振片偏振片P P P P2 2 2 2偏振片偏振片I I

36、I I0 0 0 0(钠钠钠钠)自然光自然光自然光自然光例题例题例题例题1 1 1 1：等厚干涉等厚干涉 等厚条纹，条纹间距：光弹测量：光弹测量：光弹测量：光弹测量：构件做成模型，置于光场中，测定模型应力值。在构件上构件做成模型，置于光场中，测定模型应力值。在构件上施加一定拉力和压力，介质内部形成一定的应力分布，介质施加一定拉力和压力，介质内部形成一定的应力分布，介质变成各向异性，产生双折射。变成各向异性，产生双折射。在在一定的应力范围里，双折射率一定的应力范围里，双折射率 n n 和应力成正比，和应力成正比，n n的的空间分布反映在偏振光的干涉条纹花样，空间分布反映在偏振光的干涉条纹花样，由

37、相似原理换由相似原理换 算算出实际应力出实际应力。平平行行光光平平行行光光平平面面偏偏振振光光平平面面偏偏振振光光光光源源准准光光镜镜检检偏偏镜镜波波片片起起偏偏镜镜波波片片模模型型成成像像透透镜镜反反光光镜镜屏屏幕幕+-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，称为克尔效应。电场的作用下，显示出双折射现象，称为克尔效应。外加电场破坏溶液的各向同性，产生各向异性，产生双折射，光轴方向平行于电场方向；P1P2Eeo经过长度为l的电场区，克尔效应产生的附加相位差为：透过P2的光强：当电压在此值与零值

38、间变换时，克尔盒可使光路通、断，故可用作电光开关。若克尔盒的电极与调制信号电压相接，则通过P2的光强将随信号电压的变化而改变，这时的克尔盒就是一个光调制器。由于克尔效应几乎没有延迟时间，随外电场变化的响应时间极短,可达109s，因此可制成高速光闸和光调制器等，用于高速摄影、电影电视以及激光通讯等领域。图为泡克耳斯效应装置(光传播方向与电场平行)，P1 P2；透明电极；晶体是单轴晶体，光轴沿光传播方向(不加电场时，无双折射)。加电场 晶体变双轴晶体 原光轴方向附加了双折射效应。泡克耳斯效应产生的n正比于外加电场；*泡泡泡泡克耳斯克耳斯克耳斯克耳斯效应：效应：效应：效应：+-光轴P1P2noo光在

39、晶体中的折射率，V电压，电光常数。经过长度为l的电场区，克尔效应产生的附加相位差为：=时，P2透光最强。磷 酸 二 氢 钾（KH2PO4，简 称 KDP）、磷 酸 二 氢 胺（NH4H2PO4，ADP）等单晶都具有线性电光效应。例如KDP晶体对于=546nm的绿光，no=1.51，=10.610-12m/V，=时，半波电压V=7600V，这比克尔盒要求的电压低得多。泡克尔斯效应的开关响应时间也极短，一般小于10-9s，可用作超高速开关，激光调Q，显示技术，数据处理 旋光物质旋光物质 d*旋光现象旋光现象旋光现象旋光现象物质的旋光性某些物质（如石英、氯酸钠、糖的水溶液、酒石酸溶液、松节油等）具有

40、能使线偏振光的振动面发生旋转的性质，称为旋光性(opticalactivity)。振动面旋转的角度：a 旋光率(specificrotation)，它取决于入射光的波长和旋光物质的性质。OyxEyExEELERORL任何一个圆偏振光和椭圆偏振光可以分解成两个同频，振动方向相互垂直，并且有稳定的相位关系的线偏振光。任何线偏振光可以分解成两个同频的左右旋、振幅相等、并且有稳定的相位关系的圆偏振光。旋光现象的说明旋光现象的说明旋光现象的说明旋光现象的说明在旋光晶体中左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的传播速度不同，即两种偏振态的折射率不同；左旋偏振光和右旋偏振光经过厚度为d的晶体，两者经历的光程不同，相应地

41、产生不同的相位落后：对于圆偏振光，相位落后意味着光矢量转角的倒退，即：相位落后相位落后转角倒退转角倒退相位落后相位落后转角倒退转角倒退ERELEA晶体前表面ERELEB晶体后表面LR同一时刻同一时刻同一时刻同一时刻晶体后表面合成的线偏振光矢量为L、R夹角的平分线，相对于前表面的线偏振光矢量旋转了*菲涅耳复合棱镜：菲涅耳复合棱镜：菲涅耳复合棱镜：菲涅耳复合棱镜：RR RRLLL L光光光光R R光光光光菲涅耳复合棱镜的意义：菲涅耳复合棱镜的意义：1、证实了菲涅耳提出的关于晶体旋光性机理的假设解释。2、提供了一种产生圆偏振光的一个典型器件。磁致旋光效应磁致旋光效应磁致旋光效应磁致旋光效应法拉第法拉

42、第（MichaelFaraday，17911867）伟大的英国物理学家、化学家。法拉第出身贫寒，自学成才，工作勤奋，热心科普工作，是实验大师。他发现了电磁感应现象、法拉第电解定律和磁致旋光效应，提出了力线和场的概念，主张自然界的各种力相互有关，反对超距作用的观点。J.C.麦克斯韦电磁场理论是在法拉第工作的基础上建立的。法拉第的主要著作有电学实验研究、化学和物理学实验研究、日记。1845年8月,法拉第研究电和磁对偏振光的影响,9月用过去研制的重玻璃做实验，发现原来没有旋光性的重玻璃在强磁场的作用下产生旋光性，使偏振光的偏振面发生偏转。这是人类第一次认识到电磁现象和光现象之间的关系。磁致旋光效应后

43、来称为法拉第效应。在两个透振方向正交的偏振片之间沿光的传播方向放置一个螺线管，将待测的透明介质样品插入螺线管内。单色平行自然光通过起偏器M后变为线偏振光，如果螺线管未接通电源，透明介质样品无旋光性，透射光将完全被检偏器N所阻隔。螺线管接通电源后，介质样品在强磁场的作用下而产生旋光性，因而将有光从偏振片N射出。这时若将N旋转某个角度，则会重新产生消光,这说明从介质样品出射的光仍是线偏振光，只是其振动面相对于入射线偏振光的振动面转过了角度。实验表明，磁致旋光效应中振动面的旋转角正比于光在介质中通过的距离l，正比于介质内的磁感应强度B，即=vlB式中v是比例系数，称为维尔德常量，决定于介质的性质，也

44、与入射光的波长有关。实验还表明，磁致旋光性与天然旋光性是有差别的。天然旋光性的右旋和左旋取决于物质的结构，与光的传播方向无关；磁致旋光性的右旋和左旋与光相对于磁场的传播方向有关，若光沿磁场方向传播是左旋的，则逆着磁场方向传播变为右旋。所以，线偏振光往返两次通过天然旋光物质，振动面将恢复到原先的方位。而线偏振光往返两次通过磁致旋光物质情况就不同了，如果光沿磁场方向通过，振动面左旋了角，那么当它沿原路径逆着磁场返回时，物质变为右旋的，振动面又旋转了角，这样往返两次通过同一物质振动面共旋转了2角。利用磁致旋光的这种性质，可以制成光隔离器、光调制器等器件。旋光性与物质分子结构的关系旋光性与物质分子结构

45、的关系旋光性与物质分子结构的关系旋光性与物质分子结构的关系 什么样结构的物质才能使偏光的振动方向发生旋转呢？在了解这个问题之前，我们首先讨论手性（Chirality）的概念。1848年，法国科学家巴斯德（Louispasteur）为了获得酒石酸盐结晶方面的数据，在重复前人的实验时，发现了一种有趣的现象：没有旋光性的酒石酸是由两种结构极为相似的两种晶型混合而成，它们的结构非常相似，但不相同，也不能完全重叠，就好像人的左右手一样，外表非常相似，但不能完全重叠。他用放大镜和镊子细心地将这两种晶体分离，分别溶于水后测其旋光度，发现它们均具有旋光度，如果将它们混合后，则旋光度为零。经过对这两种晶体分析，

46、他发现它们之间的关系就好像人的左右手一样，一种结构是另一种结构的镜像。即它们互为实物与镜像关系。实物与其镜像不能重叠的特性，称为物质的手性手性手性手性，具有手性的分子叫手性分子。凡具有手性的分子都有旋光性。没有手性的分子没有旋光性，因此，物质的手性是判断其是否具有旋光性的必要条件。旋光性物质的旋光度的大小决定于该物质的分子结构，并与测定时溶液的浓度、盛液的长度、测定温度、所用光源波长等因素有关。为了比较各种不同旋光性物质的旋光度的大小，一般用比旋光度来表示。比旋光度与从旋光仪中读到的旋光度关系如下。旋光度C旋光性物质的浓度（g/ml），若为纯液体，则为其密度l盛液管的长度（dm）T测定时溶液的

47、温度 光源的波长，因通常用钠光为光源，故也可用D表示在表示测定的结果时，还需要注明所使用的溶剂。我们可通过测定物质的旋光度来计算溶液的浓度；也可用己知浓度的化合物溶液通过测定其旋光度，计算其比旋光度，作为物质定性鉴定的依据。旋光仪广泛用于医药、食品、有机化工等各个领域，如：农业农业农业农业：农用抗菌素、家用激素、微生物农药及农产品淀粉含量等成份分析。医药医药医药医药：抗菌素、维生素、葡萄糖等药物分析，中草药药理研究。食品食品：食糖、味精、酱油等生产过程的控制及成品检查，食品含糖量的测定。石油石油石油石油：矿物油分析、石油发酵工艺的监视。香料香料香料香料：香精油分析。医卫医卫医卫医卫：医院临床糖

48、尿病分析。*旋光和生命起源旋光和生命起源旋光和生命起源旋光和生命起源 核酸是遗传信息的携带者和传递者，分为核糖核酸(RNA)和脱氧核酸(DNA)两种。通常是右旋的。这正是生物大分子的手性特征。生物体内化合物的这种左右不对称性正是生命力的体现。维持这种左右不平衡状态的是生物体内的酶，生物一旦死亡，酶便失去活力，造成左右不平衡的生物化学反应也就停止了。由此可见，生命与分子的不对称性息息相关。问题是地球上生命发源之初，左右对称性的破缺是怎样开始的？即分子手性的起源是什么？生物的起源是什么？这些都是有待人们去研究的谜。生命的基本物质是生物大分子，它包括蛋白质、核酸、多糖和脂类。其中蛋白质是生命功能的执

49、行者，其分子是右氨基酸组成的长链。每种氨基酸都应有L、D(L(livo)和D(dextro)分别表示左、右型旋光异构体)两种旋光异构体。但实验证明组成生物蛋白质的20种氨基酸都是L型的，D型氨基酸只存在于细菌细胞壁和其它细菌产物中。年青人的眼球是黑色的、明亮的，随着年龄增大，眼球变灰色，混浊。马斯特（Masters）报道，在人的眼球晶体核内的D-天冬氨酸以每年0.14积累，也就是说天冬氨酸由L变D的外消旋作用也是生命老化过程的一部分。因此，探索减低氨基酸外消旋速度的因素，抑制蛋白质的老化，对于延长人和哺乳动物寿命是有意义的。旋光和生命老化旋光和生命老化旋光和生命老化旋光和生命老化氨基酸地质年代

50、学氨基酸地质年代学氨基酸地质年代学氨基酸地质年代学氨基酸地质年代学是一门利用化石中氨基D/L比值测定年代的科学。其基本原理为：当生命有机体死亡后，维持生命体内仅含L-氨基酸的酶也同时失去活性。从此，L-氨基酸便开始缓慢的转化为D-氨基酸，开始了缓慢的外消旋作用，反应遵循一级可逆动力学规律。外消旋程度（DL）与时间的关系为：式中，DL为化石中D-氨基酸和L-氨基酸，k为反应速度常数，t为化石年龄，c为常数。根据化石中DL值和k，可求得化石的年代。采用地质化石中残余蛋白质的水解产物氨基酸，试样用量110克，尤适用于珍贵的古人类化石，测定较宽，一般可用于测定第四世纪内（104106年）的地质年龄。1