第十八章 偏振.ppt

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1、第第三三部部分分 光光的的偏偏振振*18-14 偏振光的干涉及应用偏振光的干涉及应用18-13 光的双折射现象光的双折射现象18-12 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振18-11 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1.理解自然光和偏振光。理解自然光和偏振光。3.了解偏振光的获得方法和检验方法。了解偏振光的获得方法和检验方法。4.了解双折射现象。了解双折射现象。2.理解布儒斯特定律和马吕斯定律。理解布儒斯特定律和马吕斯定律。光波是一种电磁波，电磁波是变化电场和变化光波是一种电磁波，电磁波是变化电场和变化磁场的传播过程。磁场的传播过程。传播方向传播

2、方向 能够引起感光作用能够引起感光作用和生理作用的是电场矢和生理作用的是电场矢量量 。电场矢量电场矢量 称为称为光光矢量矢量，矢量的振动称矢量的振动称为为光振动光振动。电振动、磁振动和光电振动、磁振动和光传播方向的相互关系传播方向的相互关系18-11 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 自然光所有光矢量都分解自然光所有光矢量都分解到相互垂直的这两个方向，则到相互垂直的这两个方向，则可表示为两个振幅相等、振动可表示为两个振幅相等、振动方向相互垂直的分振动。方向相互垂直的分振动。一一.

3、自然光和偏振光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每一光矢量都可分解每一光矢量都可分解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所有光矢量的分量叠加综合效果量叠加综合效果2.线偏振光线偏振光 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 所有各方向都有光振动，所有各方向都有光振动，所有光所有光矢量都分解到相互垂直的方向后，两方向的振幅矢量都分解到相互垂直的方向后，两方向的振幅不等。不等。4.自然光、自然光、线偏振光线偏振光和和部分偏振光的

4、部分偏振光的图像图像表示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振动与纸面成角度的线偏振光振动与纸面成角度的线偏振光平行纸面的光振动平行纸面的光振动较强的部分偏振光较强的部分偏振光垂直纸面的光振动垂直纸面的光振动较强的部分偏振光较强的部分偏振光自然光各方向振动强度相同自然光各方向振动强度相同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二二.起偏和检偏起偏和检偏 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狭缝与振动方向垂直方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

5、方向偏振化偏振化方向方向 自然光不能显示光的横波特性，把自然光变自然光不能显示光的横波特性，把自然光变为偏振光的装置称为为偏振光的装置称为起偏器起偏器。偏振片偏振片 偏振片仅容许某一特定方向的偏振片仅容许某一特定方向的光振动通过，光振动通过，而吸收其他方向的光振动。偏振片允许光振动通而吸收其他方向的光振动。偏振片允许光振动通过的方向称为偏振片的过的方向称为偏振片的偏振化方向偏振化方向。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，称为偏振片。偏振光，称为偏振片。偏振片偏振片作为起偏器，也作为起偏器，也能检测

6、入射光的偏振能检测入射光的偏振特性，即作为检偏器。特性，即作为检偏器。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此时此时无透无透射光射光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两偏振片偏振化方向垂直化方向垂直 如果透射光强有两个位置等于零，入射光为全如果透射光强有两个位置等于零，入射光为全偏振光（线偏振光）偏振光（线偏振光）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，入射光如果透射光强恒为入射光光强的一半，入射光是自然光是自然光 如果透射光

7、强周期性变化，入射光是偏振光或如果透射光强周期性变化，入射光是偏振光或部分偏振光部分偏振光三三.马吕斯定律马吕斯定律 光强为光强为I0 0 的的线偏振光入射到线偏振光入射到偏振片偏振片，若若振动振动方向与偏器片的偏振化方向间的夹角是方向与偏器片的偏振化方向间的夹角是 ，透射透射光的光强为光的光强为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

8、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 当自然光在两种介质分界面上反射、折射时，会当自然光在两种介质分界面上反射、折射时，会发生偏振现象。发生偏振现象。反射光、折射光反射光、折射光都是部分偏振光都是部分偏振光，在，在一定条件下反射光可一定条件下反射光可以是全偏振光。以是全偏振光。分界面法线与入分界面法线与入射线构成的平面称为射线构成的平面称为入射面入射面。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n1n218-12 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振 反射光和折射光反射光和折射光的偏

9、振化程度与入射的偏振化程度与入射角角 i 有关。当入射角有关。当入射角i 等于某一特定值等于某一特定值 i0，即即反射光为全偏振光，反射光为全偏振光，i0称为起偏角（布儒斯特角）称为起偏角（布儒斯特角）布儒斯特定律布儒斯特定律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 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，反时，反射光线与折射光线垂直。射光线与折射光线垂直。光从空气射向玻璃时，光从空气射向玻璃时，自然光自然光全偏振光全偏振光法线法线偏振片偏振片 自然光以全偏振角从空气射向普通玻璃，入自然光以全偏振角从空气射向普通玻璃，入射

10、光中垂直振动的能量只有约射光中垂直振动的能量只有约15%被反射，被反射，为了为了增大折射光的偏振化程度，增大折射光的偏振化程度，可使用玻璃片堆。可使用玻璃片堆。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 照相机偏振镜照相机偏振镜的应用的应用未加偏振镜，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 入射光经各向异性介入射光经各向异性介质（如石英晶体，方解石质（如石英晶体，方解石晶体等）折射后分成两束晶体等）折射后分成两束的现象。的现象。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

11、光寻常光和非常光 非常光（非常光（e e光）光）折射光线不遵守折射定律，折折射光线不遵守折射定律，折射率不为常数，其折射线不一定在入射面内射率不为常数，其折射线不一定在入射面内 寻常光（寻常光（o o光）光）折射光线遵守折射定律，折射折射光线遵守折射定律，折射率为常数，其折射光线总在入射面内率为常数，其折射光线总在入射面内18-13 光的双折射现象光的双折射现象三三.光轴光轴 主平面主平面 主截面主截面光轴光轴 沿晶体中某方向沿晶体中某方向寻常光与非寻常光传播寻常光与非寻常光传播速度相等，此方向称为速度相等，此方向称为晶体的光轴。晶体的光轴。产生双折射的原因：寻常光沿晶体中各个方产生双折射的原

12、因：寻常光沿晶体中各个方向的传播速度相同，而非常光的传播速度随方向向的传播速度相同，而非常光的传播速度随方向而变化。而变化。102o102o方解石晶体的光轴方解石晶体的光轴光轴光轴102oAB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与晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。晶体光轴构成的平面。主截面主截面 晶体表面法线与晶体光晶体表面法线与晶体光轴构成的平面。轴构成的平面。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主平平面面主主截截面面 o

13、 o 光和光和e e 光都是线偏振光，但光都是线偏振光，但o o 光的振动方向光的振动方向垂直于自己的主平面，而垂直于自己的主平面，而e e 光的振动平行于自己光的振动平行于自己的主平面。当入射光的入射面和晶体的主截面重的主平面。当入射光的入射面和晶体的主截面重合时，合时，o o 光与光与e e 光的主平面相重合，光的主平面相重合，o o 光与光与e e 光光的振动方向相互垂直。的振动方向相互垂直。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四四.正单轴晶体、负单轴晶体正单轴晶体、负单轴晶体 设设vo 为为o o光传播速度，光传播

14、速度，ve为为e光在垂直于光轴方光在垂直于光轴方向上的传播速度，向上的传播速度，c 为真空中的光速，则为真空中的光速，则 o 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（o o光光沿沿各个方向的传播速度都相同）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 e 光在晶体内形成的子波波振面是以光轴为光在晶体内形成的子波波振面是以光轴为轴的旋转椭球面（轴的旋转椭球面（e e 光沿各个方向传播的速度不光沿各个方向传播的速度不相同）相同）以方解石为例，用作图法可以确定以方解石为例，用作图法可以确定

15、o o光和光和e e光光在晶体内的传播方向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 o、e e 光光在在传播传播方向上虽方向上虽相同相同，但速度，但速度不相等。不相等。光轴光轴o光光e光光五五.惠更斯原理在双折射现象中的应用惠更斯原理在双折射现象中的应用 光光轴轴平平行行晶晶体体表表面面，且且垂垂直直入入射射面面，自自然然光光斜入射斜入射 光轴光轴io votve eteo ect此时此时e 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 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 自然光

16、沿长边方向入射，出射自然光沿长边方向入射，出射光为光为振动方向振动方向与主截面平行的线偏振光。与主截面平行的线偏振光。尼科耳棱镜既可作起偏器，又可做检偏器。尼科耳棱镜既可作起偏器，又可做检偏器。2268 光轴光轴方解石方解石方解石方解石o oe eo oe e六六.尼科耳棱镜尼科耳棱镜 格兰格兰汤普森棱镜由两块光轴平行于底面的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。胶的折射率大于起。胶的折射率大于ne e，小于小于nO，同时令同时令角角大于大于o o光光在胶合面上的临界角。在胶合面上的临界角。o光光e光光光轴光

17、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光光七七.格兰格兰汤普森棱镜汤普森棱镜一一.椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光如图线偏振光射向晶片如图线偏振光射向晶片C后，在晶体内分成后，在晶体内分成o o光、光、e光，相应的相位差为光，相应的相位差为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*18-14 偏振光的干涉及其应用偏振光的干涉及其应用设出射设出射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

18、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 1/41/4波片：能使波片：能使o o光、光、e e光光出射时产生出射时产生(2k+1)/2的相位差的波片。的相位差的波片。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说明：说明：一束偏振光通过一束偏振光通过/4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；时，出射线偏振光；当当 =45 时，出射圆偏振光；时，出射圆偏

19、振光；为其他值时，为其他值时，出射光为椭圆偏振光。出射光为椭圆偏振光。椭圆偏振光（圆偏振光），经椭圆偏振光（圆偏振光），经/4片后，变为片后，变为线偏振光线偏振光如图，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 波片：能使线偏振光出射时的两束线偏振光波片：能使线偏振光出射时的两束线偏振光产生产生 (2k+1)的相位差，这样的波片称为的相位差，这样的波片称为1/4 波片。波片。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

20、过P2 后，又成为两束不相干的线偏振光，再经后，又成为两束不相干的线偏振光，再经P2 后，后，就成为频率相同，振动方向相同而相位差恒定就成为频率相同，振动方向相同而相位差恒定的相干光，从而产生偏振光干涉。的相干光，从而产生偏振光干涉。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 o光、光、e光光P2P1CA1AeAO

21、A2OA2e 由于由于A1O与与A2e方向相反，产生附加相位差方向相反，产生附加相位差说明：说明：在偏振光干涉中在偏振光干涉中 对一定波长的入射光来说，屏幕上的明暗由对一定波长的入射光来说，屏幕上的明暗由晶体厚度晶体厚度d 决定；决定；用白光进行实验时在晶体中厚度均匀的情况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，这称下，屏上出现一定色彩合成的混合色，这称为显色偏振。为显色偏振。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 在机械应力作用下，介质可由各向同性变为在机械应力作用下，介质可由各向

22、同性变为各向异性，从而产生双折射，这种现象称为光弹各向异性，从而产生双折射，这种现象称为光弹性效应。性效应。P1P2 dFSF干涉干涉有机玻璃有机玻璃C各处各处 不同不同 变变导致导致 改改变变，引起，引起干涉情况变。干涉情况变。在一定应力范围内：在一定应力范围内：导致导致各处各处 不同不同从而从而出现干涉条纹出现干涉条纹加加外力前外力前加加外力后外力后五五.旋光现象旋光现象当一束完全偏振光通过旋光物质时，其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，这种现象称为振动面会旋转一定角度，这种现象称为旋光旋光现象现象。旋光物质旋光物质 l其中：其中：旋光率旋光率对于有旋光性的液体，对于

23、有旋光性的液体，与液体的浓度与液体的浓度c c成成正比：正比：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实验证明，旋光物质对线偏振光振动面的旋转角度与在物质中通过的距离成正比：转角度与在物质中通过的距离成正比：六六.克尔效应与泡克耳效应克尔效应与泡克耳效应克尔效应：某些液体在外加电场克尔效应：某些液体在外加电场 E 的作的作用下出现双折射现象，且用下出现双折射现象，且o o光与光与e光的折射率光的折射率之差满足：之差满足：用途：用途：由于弛豫时间短（由于弛豫时间短（10-9s），），可以作为高可以作为高速光闸。速光闸。液体液体电场电场泡克耳效应：某些晶体在外加电场泡克耳效应：某些晶体在外加电场 E 的作用下出现双折射现象，且的作用下出现双折射现象，且o o光与光与e光的折光的折射率之差满足：射率之差满足：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磁光盘信息读出装置光盘信息读出装置七七.磁旋光效应磁旋光效应 当一束线偏振光照射在被磁化的界面上，其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，这种效应称反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。为磁旋光效应。