第23章光的偏振精选PPT.ppt

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1、第23章 光的偏振第1页，此课件共49页哦教学基本要求教学基本要求一、理解一、理解自然光与偏振光的区别，自然光与偏振光的区别，掌握光的五种偏振掌握光的五种偏振态的获得方法和检验方法；态的获得方法和检验方法；二、二、理解理解布儒斯特定律和马吕斯定律布儒斯特定律和马吕斯定律;三、三、了解了解双折射现象双折射现象，掌握各种波片的作用；掌握各种波片的作用；四、四、了解了解偏振光的干涉现象、人为双折射和旋光偏振光的干涉现象、人为双折射和旋光现象。现象。第2页，此课件共49页哦3.0 概述概述 光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性，光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性，但还不能由此确定光是横波还是纵波；但还不

2、能由此确定光是横波还是纵波；光的偏光的偏振振现象证实了光的横波特性，这与电磁场理论的现象证实了光的横波特性，这与电磁场理论的予见完全一致。光的偏振现象对于人们的日常生予见完全一致。光的偏振现象对于人们的日常生活和科学技术的发展都有重要的作用。活和科学技术的发展都有重要的作用。第一次作业第一次作业习题习题 6,7,9,6,7,9,补补1 1预习预习 3-4 3-4补补1：第3页，此课件共49页哦3.1 自然光和偏振光自然光和偏振光机械机械横波横波与纵与纵波的波的区别区别机机械械波波穿穿过过狭狭缝缝 一、偏振的概念一、偏振的概念：振动方向对于传播方向的不对称振动方向对于传播方向的不对称性叫做性叫做

3、偏振偏振。偏振性偏振性是横波区别于纵波的一个最明显的标志，是横波区别于纵波的一个最明显的标志，只有横波才有偏振现象。只有横波才有偏振现象。第4页，此课件共49页哦1.1.线偏振光线偏振光：二、光波的五种偏振状态二、光波的五种偏振状态章首页2.2.自然光自然光：光矢量对于传播方向光矢量对于传播方向完全对称的光波，其效果可用两完全对称的光波，其效果可用两个互相垂直、位相没有关联的线个互相垂直、位相没有关联的线偏振光来代替。偏振光来代替。第5页，此课件共49页哦3.3.圆偏振光：圆偏振光：|E E|=|=常量常量,方向绕传播方向匀角速的转动的方向绕传播方向匀角速的转动的光波。顺时针为右旋，逆时针为左

4、旋。光波。顺时针为右旋，逆时针为左旋。4.4.椭圆偏振光：椭圆偏振光：E E 的的大小和方向都在有规大小和方向都在有规律的变化，律的变化，E E 的末端的末端在垂直于传播方向的在垂直于传播方向的平面内投影点的轨迹平面内投影点的轨迹为椭圆的光波。为椭圆的光波。章首页第6页，此课件共49页哦5.5.部分偏振光：部分偏振光：自然光自然光在传播过程中，由于在传播过程中，由于外界的作用造成各个外界的作用造成各个振向上的强度不等的振向上的强度不等的光波。光波。若某一部分偏振光沿某一方向上具有光强的最大值 ，在其垂直方向上具有光强的最小值 ，通常用来量度偏振的程度，并称 为偏振度。第7页，此课件共49页哦三

5、、获得线偏振光的常用方法三、获得线偏振光的常用方法 利用物质的二向色性制成偏振片利用物质的二向色性制成偏振片(器器)反射或玻璃片堆反射或玻璃片堆 利用物质的双折射特性制成偏振棱镜利用物质的双折射特性制成偏振棱镜 二向色性二向色性:某些某些物质能吸收某一方向物质能吸收某一方向的光振动的光振动,而只让与而只让与这个方向垂直的光振这个方向垂直的光振动通过，这种性质称动通过，这种性质称二向色性二向色性。第8页，此课件共49页哦一、偏振器一、偏振器(片片)：能使自然光变成偏振光的装置：能使自然光变成偏振光的装置(器件器件)。-将将二向色性二向色性材料涂在透明薄片上就可制成一个材料涂在透明薄片上就可制成一

6、个偏振片。偏振片。二、二、透射轴方向透射轴方向(偏振化方向偏振化方向)：当自然光照射在偏振片上：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，这个方向叫此偏振片时，它只让某一特定方向的光通过，这个方向叫此偏振片的透射轴方向，也叫偏振化方向的透射轴方向，也叫偏振化方向。三、起偏和检偏三、起偏和检偏 起偏起偏-将自然光变成偏振光的过程；将自然光变成偏振光的过程；检偏检偏-检验入射光是否为偏振光并确定其振动方向。检验入射光是否为偏振光并确定其振动方向。3.2 起偏与检偏起偏与检偏第9页，此课件共49页哦检偏器检偏器起偏器起偏器偏振化方向偏振化方向第10页，此课件共49页哦四、马吕斯定律四、马

7、吕斯定律（1880 年）年）马吕斯定律马吕斯定律-强度为强度为 的偏的偏振光通过检偏振器后振光通过检偏振器后,出射光的强出射光的强度为度为第11页，此课件共49页哦 例例1 两个偏振片的透射轴互相垂直，在它们之间插入两个偏振片的透射轴互相垂直，在它们之间插入两块偏振片，使相邻两个偏振片的透射轴都成两块偏振片，使相邻两个偏振片的透射轴都成30角。如果角。如果入射的自然光光强为入射的自然光光强为 ，求通过所有偏振片后的透射光的，求通过所有偏振片后的透射光的强度。强度。解：解：入射的自然光强为入射的自然光强为 ，通过第一个偏振片后，通过第一个偏振片后，光强为原来的一半，即光强为原来的一半，即 ；设通

8、过第二、第三、第四个偏振片后的光强分别为设通过第二、第三、第四个偏振片后的光强分别为 ，已知相邻两个偏振片的透射轴都成，已知相邻两个偏振片的透射轴都成30角，则根据马吕斯定律角，则根据马吕斯定律有有第12页，此课件共49页哦解解：设两束单色自然光的强度分别为设两束单色自然光的强度分别为 和和 .例例2 有两个偏振片有两个偏振片,一个用作起偏器一个用作起偏器,一个用作检偏器一个用作检偏器.当它们当它们偏振化方向间的夹角为偏振化方向间的夹角为 时时,一束单色自然光穿过它们一束单色自然光穿过它们,出射光强出射光强为为 ;当它们偏振化方向间的夹角为当它们偏振化方向间的夹角为 时时,另一束单色自然光穿过

9、另一束单色自然光穿过它们它们,出射光强为出射光强为 ,且且 .求两束单色自然光的强度之比求两束单色自然光的强度之比.经过起偏器后光强分别为经过起偏器后光强分别为 和和 .经过检偏器后经过检偏器后第13页，此课件共49页哦空气空气 入射面入射面 入射光线和法线入射光线和法线所成的平面所成的平面.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平行垂直于入射面的振动大于平行于入射面的振动于入射面的振动.折射光折射光 部分部分偏振光，偏振光，平行于入射面的振动大于垂平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动直于入射面的振动.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

10、光的偏振化程度与入射角有关.玻璃玻璃3.3 光反射与折射时的偏振性光反射与折射时的偏振性第14页，此课件共49页哦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第15页，此课件共49页哦 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.玻璃玻璃玻璃玻璃第16页，此课件共49页哦讨论讨论讨论下列光线的

11、反射和折射（讨论下列光线的反射和折射（起偏角起偏角 ）.第17页，此课件共49页哦 讨论讨论 如图的装置如图的装置 为偏振片，为偏振片，问下列四种情况，屏上有无干涉条纹？问下列四种情况，屏上有无干涉条纹？1）去掉）去掉 保留保留 2）去掉）去掉 保留保留 3）去掉）去掉 保留保留 4）都保留都保留.无（两振动互相垂直）无（两振动互相垂直）无（两振动互相垂直）无（两振动互相垂直）无（无恒定相位差）无（无恒定相位差）有有第18页，此课件共49页哦例例3 3：已知普通玻璃，当：已知普通玻璃，当i=ii=i0 0时，时，S/=0,S/=0,S=0.08 S=0.08，求：，求：R R，RR的相对光强的

12、相对光强。第19页，此课件共49页哦玻璃片堆玻璃片堆1.1.问题的提出问题的提出2.2.获得线偏光的原理获得线偏光的原理3.3.实用价值实用价值第20页，此课件共49页哦3.4 3.4 双折射偏振双折射偏振一、基本现象与概念一、基本现象与概念1.1.双折射现象双折射现象 用一块透明的光学性质为各向异用一块透明的光学性质为各向异性的介质性的介质-方解石晶体来做同样实方解石晶体来做同样实验，看到的折射像不但是字验，看到的折射像不但是字“浮浮”起来了一些，而且是一高一低的两个起来了一些，而且是一高一低的两个字。这表明，一束光在方解石晶体内字。这表明，一束光在方解石晶体内分成了两束，这种现象叫做双折射

13、现分成了两束，这种现象叫做双折射现象。象。第二次作业第二次作业习题习题2,172,17预习预习3-5,63-5,6阅读阅读3-73-7动动 光光 学学波波 动动 光光 学学第21页，此课件共49页哦光通过光通过双折射晶体双折射晶体第22页，此课件共49页哦 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）（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.ACBo

14、eDeo2.2.寻常光寻常光(o(o光光)和非常光和非常光(e(e光光)-不不服从折射定律的光线服从折射定律的光线第23页，此课件共49页哦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 在晶体中各在晶体中各方向上传播速度相同方向上传播速度相同.常量常量 非常光线非常光线 晶体中各方晶体中各方向上传播速度不同向上传播速度不同,随方向改随方向改变而改变变而改变.为主折射率为主折射率3.3.晶体光学的几个基本概念晶体光学的几个基本概念光轴光轴（晶体内（晶体内 的方向）的方向）第24页，此课件共49页哦光轴光轴 主截面：主截面：当光在一晶体表面入射时，此表面当光在一晶体表面入射时，此

15、表面的法线与光轴所成的平面的法线与光轴所成的平面.当入射面是主截面时，当入射面是主截面时，O 光的振动光的振动垂直垂直主截面；主截面；光的振动光的振动平行平行于主截面于主截面.光轴光轴 光光 光光单轴晶体：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负晶体负晶体（n ne enno o）正晶体正晶体（n ne e n no o）第25页，此课件共49页哦二、用惠更斯原理解释双折射二、用惠更斯原理解释双折射1.1.晶体中晶体中o o光和光和e e光的波面光的波面2.2.晶体中晶体中o o光和光和e e光的播向的光的播向的 光轴与晶面斜交光轴与

16、晶面斜交 角角确定确定(以方解石为例以方解石为例)光光光轴光轴光光第26页，此课件共49页哦 平行光垂直于晶体表面入射，光轴与晶体表面平行光垂直于晶体表面入射，光轴与晶体表面平行或垂直平行或垂直-此时晶体光轴有三种取向：此时晶体光轴有三种取向：在第二种情形中，设晶体的厚度为在第二种情形中，设晶体的厚度为d d，o o光和光和e e光光通过通过d d出射后，将产生光程差为出射后，将产生光程差为:第27页，此课件共49页哦三、双折射棱镜三、双折射棱镜1.1.渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜ABCABC和和ADCADC中，中，o o、e e光播向分析光播向分析 ADC ADC中，中，o o、e e光出射后播

17、向分析光出射后播向分析第28页，此课件共49页哦BCAD 光光光光加拿大树胶加拿大树胶加拿大树胶加拿大树胶n=1.550,n=1.550,对对o o光全反射临界角光全反射临界角 用途：用作偏振器用途：用作偏振器2.2.尼科耳棱镜尼科耳棱镜 镜中镜中o o、e e光播向分析方解石光播向分析方解石n no o=1.6581.658,n ne e=1.4861.486 第29页，此课件共49页哦四、人为双折射四、人为双折射1.1.光弹性效应光弹性效应(用机械应力作用发生协变用机械应力作用发生协变)透明的各向同性的介质在机械应力作用下透明的各向同性的介质在机械应力作用下,显示出光显示出光学学上的各向异

18、性上的各向异性光弹性效应。实验指出：不管是压力光弹性效应。实验指出：不管是压力还是张力，其有效光轴都在应力方向上，并且所引起的还是张力，其有效光轴都在应力方向上，并且所引起的双折射与应力双折射与应力P P成正比成正比,即：即：第30页，此课件共49页哦 2.2.电致双折射一电光效应电致双折射一电光效应(用强电场用强电场作用发生分作用发生分子电矩定向排列子电矩定向排列)二硫化碳二硫化碳 三氯甲烷三氯甲烷克尔效应克尔效应发现于发现于1875年，某些各向同性的透明介质在外加电年，某些各向同性的透明介质在外加电场的作用下为各向异性场的作用下为各向异性,其光轴在电场方向上其光轴在电场方向上设设n/和和n

19、 分别为在外加电场后光矢量平行和垂直电分别为在外加电场后光矢量平行和垂直电场方向时的折射率场方向时的折射率电极电极电极电极第31页，此课件共49页哦泡克耳斯效应泡克耳斯效应发现于发现于1893年，有些晶体、特别是年，有些晶体、特别是压电晶体，在加压电晶体，在加了电场后也能改变其各向异性的性质。泡克耳斯了电场后也能改变其各向异性的性质。泡克耳斯效应是线性的，只存在于没有对称中心的晶体中。效应是线性的，只存在于没有对称中心的晶体中。3.3.磁致双折射一磁光效应磁致双折射一磁光效应(用强磁场作用发生分子磁矩用强磁场作用发生分子磁矩定向排列定向排列)第32页，此课件共49页哦3.5 3.5 椭圆偏振光

20、椭圆偏振光 偏振光的干涉偏振光的干涉一、椭圆偏振光的获得一、椭圆偏振光的获得1.1.晶片：晶片：光轴与晶面平行，厚度为光轴与晶面平行，厚度为d d的双折射晶体的双折射晶体 波片有三种：波片有三种：全波片、半波片、四分之一波片全波片、半波片、四分之一波片 (1)全波片：全波片：当波片使当波片使 光和光和 光的光程差等于波长的整光的光程差等于波长的整数倍时，这种波片叫做全波片。全波片的厚度为数倍时，这种波片叫做全波片。全波片的厚度为 钠黄光对钠黄光对o光和光和e光的折射率光的折射率第33页，此课件共49页哦 (3)四分之一波片：四分之一波片：当波片使当波片使 光和光和 光的光程差等光的光程差等于四

21、分之一波长时，这种波片叫做四分之一波片于四分之一波长时，这种波片叫做四分之一波片.四分之四分之一波长片的作用是：当波长为一波长片的作用是：当波长为的线偏振光垂直于波片入的线偏振光垂直于波片入射时，射时，光和光和 光产生光产生 的相位差。四分之一波片的相位差。四分之一波片的厚度为的厚度为 (2)半波片半波片 若波片使若波片使 光和光和 光的光程差等于入射光的光的光程差等于入射光的半波长，这样的波片称为半波片，又称二分之一波片半波长，这样的波片称为半波片，又称二分之一波片.半波片半波片的作用是：当波长为的作用是：当波长为 的线偏振光垂直于二分之一波片入射的线偏振光垂直于二分之一波片入射时，透射光仍

22、为线偏振光，但振动方向转过时，透射光仍为线偏振光，但振动方向转过 2 的角度，的角度，是入射光振动方向和光轴的夹角是入射光振动方向和光轴的夹角.第34页，此课件共49页哦3.3.两个同频率、振动方向垂两个同频率、振动方向垂 直的简振合成的回顾直的简振合成的回顾第35页，此课件共49页哦光振动的合成光振动的合成 全波片及其作用全波片及其作用合振动为线偏振光，其振合振动为线偏振光，其振动面与动面与E E1 1相同相同线偏振光经过全波片后，线偏振光经过全波片后，仍为线偏振光，振向不仍为线偏振光，振向不变。变。第36页，此课件共49页哦 1/2 1/2波片及其作用波片及其作用合振动为线偏振光，其振动面

23、相合振动为线偏振光，其振动面相对于对于E E1 1顺时针旋转了顺时针旋转了2 2 第37页，此课件共49页哦3.3.晶片中晶片中o o、e e光的振幅和位相差光的振幅和位相差光轴光轴四分之一波片四分之一波片2.2.获得椭圆偏振光的装置获得椭圆偏振光的装置线偏振光经过线偏振光经过1/41/4波片后，变波片后，变为正椭圆偏振光，当为正椭圆偏振光，当 时为圆偏振光时为圆偏振光第38页，此课件共49页哦二、偏振光的干涉二、偏振光的干涉1.1.偏振光的干涉装置偏振光的干涉装置光轴光轴波片波片第39页，此课件共49页哦2.2.干涉加强和减弱的条件干涉加强和减弱的条件第40页，此课件共49页哦 当两个偏振片

24、的偏振化方向平行时当两个偏振片的偏振化方向平行时,，最后透射出来的，最后透射出来的光的强度为光的强度为当两个偏振片的偏振化方向正交时当两个偏振片的偏振化方向正交时,，最后透，最后透射出来的光的强度为射出来的光的强度为 第41页，此课件共49页哦3.3.讨论讨论第三次作业第三次作业习题习题11,14,1511,14,15预习预习4-1,24-1,2 当用白光照射时，由于对各种波长的光，干涉最大和最小的条当用白光照射时，由于对各种波长的光，干涉最大和最小的条件不是同时满足的，所以不同波长的光有不同程度的加强或减弱，件不是同时满足的，所以不同波长的光有不同程度的加强或减弱，混合起来出现彩色，不同厚度

25、的波片出现不同的彩色混合起来出现彩色，不同厚度的波片出现不同的彩色.第42页，此课件共49页哦 偏振光干涉时出现彩色的现象称为显色偏振偏振光干涉时出现彩色的现象称为显色偏振或色偏振。显色偏振是检定双折射现象极为灵敏或色偏振。显色偏振是检定双折射现象极为灵敏的方法。当某种物质的折射率差值的方法。当某种物质的折射率差值 很小时很小时，用直接观察寻常光和非常光的方法很难检定是，用直接观察寻常光和非常光的方法很难检定是否有双折射存在。但是只要把这种物质薄片放在否有双折射存在。但是只要把这种物质薄片放在两个偏振片之间，用白光照射，观察是否有彩色两个偏振片之间，用白光照射，观察是否有彩色出现，即可鉴定是否

26、存在双折射。出现，即可鉴定是否存在双折射。第43页，此课件共49页哦 例例4 4：设设A A垂直垂直B B，C C为为1/41/4波片，且波片，且=/4/4,问在视场问在视场P P处的光强处的光强I I为多少？若为多少？若A A与与B B不垂直，则又如何？不垂直，则又如何？仅用检偏器仅用检偏器B B无法确定入射光是自然光还是圆无法确定入射光是自然光还是圆偏振光偏振光结论结论:第44页，此课件共49页哦3.6 旋光现象旋光现象 能产生旋光现象的叫能产生旋光现象的叫旋光物质旋光物质(如石英晶体、糖溶液、酒石酸溶如石英晶体、糖溶液、酒石酸溶液等），物质的这种性质称为液等），物质的这种性质称为旋光性旋

27、光性。旋光仪旋光仪-观察偏振光振动面旋转的仪器。观察偏振光振动面旋转的仪器。一、旋光现象一、旋光现象-偏振光通过某些物质后，其振动面将以光的传播偏振光通过某些物质后，其振动面将以光的传播方向为轴线转过方向为轴线转过 一定的角度。一定的角度。2.左旋物质左旋物质：面对着光源观察，使光振动面的旋转为逆时针：面对着光源观察，使光振动面的旋转为逆时针的旋光物质（如蔗糖溶液）。的旋光物质（如蔗糖溶液）。1.右旋物质右旋物质：面对着光源观察，使光振动面的旋转为顺：面对着光源观察，使光振动面的旋转为顺时针的旋光物质时针的旋光物质(如葡萄糖溶液）；如葡萄糖溶液）；第45页，此课件共49页哦二、旋光现象的二、旋

28、光现象的 实验规律实验规律线偏振光通过旋光晶线偏振光通过旋光晶体时，振动面转过的体时，振动面转过的角度与晶体的长度成角度与晶体的长度成正比正比 式中式中 是与旋光物质及入射光波长有关的常是与旋光物质及入射光波长有关的常量，称为该物质的量，称为该物质的旋光率旋光率。线偏振光通过溶液时振动面转过的角度除了与容器的长度成正线偏振光通过溶液时振动面转过的角度除了与容器的长度成正比外，还与溶液的浓度成正比比外，还与溶液的浓度成正比第46页，此课件共49页哦三、磁致旋光三、磁致旋光 如同人工双折射效应一样，对一些本身不具有旋光性如同人工双折射效应一样，对一些本身不具有旋光性的物质，在施以外力作用时也会产生

29、旋光性，其中最重要的物质，在施以外力作用时也会产生旋光性，其中最重要的是磁致旋光。这是法拉第于的是磁致旋光。这是法拉第于1846年发现的，常称为法拉年发现的，常称为法拉第旋转。第旋转。实验表明，对于给定的磁性介质，线偏振光通过样品后，实验表明，对于给定的磁性介质，线偏振光通过样品后，振动方向转过的角度振动方向转过的角度 与样品长度与样品长度 和外加磁场的磁感和外加磁场的磁感应强度应强度 成正比，即成正比，即式中式中 为费尔德常量，是一个与物质性质、环境温度及为费尔德常量，是一个与物质性质、环境温度及入射光波长有关的量，一般物质的费尔德常量都很小。入射光波长有关的量，一般物质的费尔德常量都很小。

30、第47页，此课件共49页哦解之，得解之，得 解解：由式由式 有有例例10 纯蔗糖溶液的旋光率为纯蔗糖溶液的旋光率为 ，今有此蔗糖液每分米长度使线偏振光的振动面旋转今有此蔗糖液每分米长度使线偏振光的振动面旋转 ，求此溶液的浓度求此溶液的浓度.第48页，此课件共49页哦四、旋光现象的应用四、旋光现象的应用-糖量计糖量计L-透镜透镜P-起偏器起偏器单单色色光光源源T-玻璃容器玻璃容器A-检偏器检偏器溶液溶液1.已知溶液旋光率时，已知溶液旋光率时，T中先后装入溶剂和溶液，测出旋中先后装入溶剂和溶液，测出旋转角转角 ，浓度由公式，浓度由公式 算出；算出；2.不知溶液旋光率时，用比较法算出：不知溶液旋光率时，用比较法算出：标准溶液标准溶液()，旋转角度，旋转角度 待测溶液待测溶液()，旋转角度，旋转角度 第49页，此课件共49页哦