第23章 光的偏振.ppt

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1、第23章 光的偏振,教学基本要求,一、理解自然光与偏振光的区别，掌握光的五种偏振态的获得方法和检验方法； 二、理解布儒斯特定律和马吕斯定律; 三、了解双折射现象 ，掌握各种波片的作用； 四、了解偏振光的干涉现象、人为双折射和旋光现象。 作业：2,4,5,6,7,8,12,15,16,19,33,42,23.0 概述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；光的偏振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活和科学技术的发展都有重要的作用。,光是一种电磁波（横波）。电矢量 与磁矢量 相互垂直，它们分别又与电磁波的传播方向垂直。,

2、23.1 自然光和偏振光,机械横波与纵波的区别,一、偏振的概念：振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振。,偏振性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。,23.1.1 横波的偏振性,完全偏振光,23.1.2 线偏振光和自然光,自然光,2.自然光,由于各个光矢量之间无固定的相位关系，其中任何两个取向不同的光矢量不能合成为一个单独的矢量，它们只能作非相干叠加，即两个振动方向互相垂直的平面偏振光的分光强为且自然光的总光强为 即自然光可以分解为方向垂直但取向可以任意的两个光振动，且每个分量的光强都为总光强的一半.,部分偏振光,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

3、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。,椭圆偏振光和圆偏振光有右旋和左旋之分：顺时针为右旋，逆时针为左旋。,4.椭圆偏振光和圆偏振光：E 的大小和方向都在有规律的变化，E 的末端在垂直于传播方向的平面内投影点的轨迹为椭圆的光波为椭圆偏振光。,投影点的轨迹为圆叫圆偏振光,圆偏振光,圆偏振光,就在你身边,晴空,（散射）,部分偏振,彩虹,部分偏振,（折射）,水面反光,（反射）,部分或线偏振,在你身边的偏振光,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(器), 反射或玻璃片堆, 利用物质的双折射特性制成偏振棱镜,二向色性 : 某些物质能吸收某一方向的光振动 , 而

4、只让与这个方向垂直的光振动通过，这种性质称二向色性 。,23.2 起偏与检偏,偏振片,23.2.1 偏振(片)器,-将二向色性材料涂在透明薄片上就可制成一个偏振片。,透光轴方向(偏振化方向) ：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的透光轴方向，也叫偏振化方向 。,23.2.2 起偏和检偏起偏-将自然光变成偏振光的过程；检偏-检验入射光是否为偏振光并确定其振动方向。,起偏,检偏器,起偏器,检 偏,模拟演示,起偏和检偏,起偏和检偏的定量分析,马吕斯定律,23.2.3 马吕斯定律,续上,例1,例2,例3,例43,选讲,入射面 入射光线和法线所成的平面 .,反射光

5、部分偏振光 ，垂直于入射面的振动大于平行于入射面的振动 .,折射光 部分偏振光，平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动 .,理论和实验证明：反射光的偏振化程度与入射角有关 .,23.3 反射光与折射光的偏振性,布儒斯特定律（1812年）,反射光为完全偏振光，且振动面垂直入射面，折射光为部分偏振光。,当 时，,1）反射光和折射光互相垂直 .,2）根据光的可逆性，当入射光以 角从 介质入射于界面时，此 角即为布儒斯特角 .,例,思考,例5,玻璃片堆,1.问题的提出,2.获得线偏光的原理,3.实用价值,折射起偏,在平行玻璃板的上、下界面上，入射角都满足布儒斯特角，,布儒斯特窗,讨论下列光线的反射和

6、折射（起偏角 ）.,讨论 如图的装置 为偏振片，问下列四种情况，屏上有无干涉条纹？,1）去掉 保留 2）去掉 保留 3）去掉 保留 4） 都保留 .,无（两振动互相垂直） 无（两振动互相垂直） 无（无恒定相位差） 有,例3：已知普通玻璃，当i=i0时， S/=0,S=0.08，求： R，R的相对光强。,23.4 双折射,23.4.1双折射现象,用一块透明的光学性质为各向异性的介质-方解石晶体来做同样实验，看到的折射像不但是字“浮”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分成了两束，这种现象叫做双折射现象。,1.双折射现象,双折射现象,光通过双折射晶体,-服从折射定律的光

7、线,（一般情况，非常光线不在入射面内）,实验证明： O 光和 光均为偏振光.,2.寻常光(o光)和非常光(e光),-不服从折射定律的光线,演示1,演示2,方解石,23.4.2 双折射晶体 光轴 主截面,晶体的光轴,方解石、石英、红宝石等晶体，只有一个光轴方向，称为单轴晶体。云母、蓝宝石、橄榄石等晶体，有两个光轴方向，称为双轴晶体。,主要介绍方解石,方解石的光轴,续上,晶体的主截面,主截面： 当光在一晶体表面入射时，此表面的法线与光轴所成的平面.,当入射面是主截面时，o光的主平面与e光的主平面重合，O 光与光的振动方向垂直。,主平面： 晶体內光线与光轴所成的平面：o光有o光的主平面，e光有e光的

8、主平面。,垂直入射,在主截面内入射时,o、e光的波面,23.4.3 光在单轴晶体中的传播,假设方解石内有一单色点光源 S,光轴,(a),光轴,(b),晶体中 光、 光的波面,主折射率,主折射率简表,光轴,光轴,O光波阵面,e光波阵面,正晶体和负晶体,(a),(b),主平面,一般情况下这两个主平面不严格重合,主截面内入射,主要讨论这种最基本的入射情况,o、e光传播方向,2. 晶体內波面的惠更斯作图法 (1) 平行光斜入射，光轴在入射面內且与晶体表面成一定角度,(2)平行光垂直于晶体表面入射，光轴与晶体表面平行或垂直-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d，o光和e光通过d出射

9、后，将产生光程差为:,续上,(3) 平行光斜入射，光轴平行于晶体表面并与入射面垂直,光,光,光,光,23.4.4 双折射棱镜,1.渥拉斯顿棱镜,ABC和ADC中，o、e光播向分析, ADC中，o、e光出射后播向分析,2. 洛匈棱镜,尼科耳棱镜,3. 尼科耳棱镜,晶体双折射产生的o光和e光传播方向夹角一般较小，从晶体出射时两光束互相重叠，难以获得单一的线偏振宽光束。,两宽光束重叠,能否不让其中的一束光从末端输出？,续上,通过A、B对角并垂直主截面将方解石切成两半,再用加拿大树胶（对钠光折射率为1.55）将其按原位粘合,先将两端面的倾角按一定要求略加修磨,续上,方解石主截面,对o光全反射临界角,2

10、3.5 椭圆偏振光和圆偏振光,23.5.1 波晶片相位推迟片,光轴与晶面平行，厚度为d的双折射晶体,波片有三种： 全波片、半波片、四分之一波片1. 全波片：当波片使 光和 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,钠黄光对o光和e光的折射率, 全波片及其作用,合振动为线偏振光，其振动面与E1相同,线偏振光经过全波片后，仍为线偏振光，振向不变。,2. 半波片 若波片使 光和 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.半波片的作用是：当波长为 的线偏振光垂直于二分之一波片入射时，透射光仍为线偏振光，但振动方向转过 2 的角度， 是入射光振动方向和

11、光轴的夹角., 1/2波片及其作用,合振动为线偏振光，其振动面相对于E1顺时针旋转了2,3 四分之一波片：当波片使 光和 光的光程差等于四分之一波长时，这种波片叫做四分之一波片.四分之一波长片的作用是：当波长为的线偏振光垂直于波片入射时， 光和 光产生 的相位差。四分之一波片的厚度为,1. 回顾,23.5.2 椭圆偏振光和圆偏振光的获得,合成图例,回顾：两个同频率相互垂直简谐运动的合成,4.晶片中o、e光的振幅和位相差,3.获得椭圆偏振光的装置,线偏振光经过1/4波片后，变为正椭圆偏振光，当 时为圆偏振光,椭圆偏振光,椭圆偏振光和圆偏振光的获得,23.5.3 圆偏振光和椭圆偏振光的检验,1.

12、圆偏振光的检验 首先用偏振器插入光传播的路径中，旋转偏振器，若透过偏振器的光强强弱不变，则入射光不是圆偏振光就是自然光，因为只有这两种光平均说来在垂直于光线的各方向，电矢量的大小均相等.要区别是圆偏振光还是自然光，可以让被检验的光先通过四分之一波片后再通过偏振器，旋转偏振器时若有消光现象，则入射光为圆偏振光，否则为自然光.,2. 椭圆偏振光的检验 让被检验的光通过偏振器，并旋转偏振器，若透过偏振器的光强有强弱的变化，但无消光位置，则被检验的光是椭圆偏振光或是部分偏振光，记下光强最强时的偏振器的偏振化方向，即被检验光中最大光矢量的方向.然后先让被检验的光通过四分之一波片，并使四分之一波片的“快”

13、(或“慢”)方向沿着被检验光中光矢量最大的方向，再通过一偏振器，旋转偏振器时若有消光位置，说明被检验的光是椭圆偏振光，否则是部分偏振光.,偏振光的干涉,参与合成椭圆偏振光的两束线偏振光，,频率相同，相位差恒定，但其振动方向相互垂直，不能产生干涉。,23.6 偏振光的干涉,23.6.1 偏振光的干涉装置,23.6.2 光矢量的分解与合成,当两个偏振片的偏振化方向平行时, ，最后透射出来的光的强度为当两个偏振片的偏振化方向正交时, ，最后透射出来的光的强度为,讨论,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，混合起来出现彩色，不同

14、厚度的波片出现不同的彩色.,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的方法。当某种物质的折射率差值 很小时，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，即可鉴定是否存在双折射。,单色光入射,对同一波片用单色光入射,若两偏振片的透振方向相互垂直时由于某波片的双折射引起的偏振光干涉结果获得最强,将两偏振片的透振方向转到相互平行状态时则光干涉结果为最弱,若波片厚度不均匀，输出光场中将会出现明暗干涉条纹，用上述两种状态去观察这种干涉条纹，其明暗分布也是相反的。,白光的色偏振,对

15、同一波片用白光入射,例4：设A垂直B，C为1/4波片，且=/4,问在视场P处的光强I为多少？若A与B不垂直，则又如何？,仅用检偏器B无法确定入射光是自然光还是圆,偏振光,结论:,23.7 人为双折射和旋光现象,23.7.1 光弹性效应(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,显示出光学上的各向异性光弹性效应。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，并且所引起的双折射与应力P成正比,即：,光弹性效应,偏振片2,有机玻璃模型,偏振片1,施压,应力双折射显示的偏振光干涉条纹,23.7.2 电致双折射一电光效应(用强电场作用发生分子电矩定向排列),二硫化碳 三氯

16、甲烷,克尔效应,发现于1875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, 其光轴在电场方向上,设n/和n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,克尔效应,偏振片1,偏振片2,在装有平行板电容器的透明盒内，充以某种特定的液体（如硝基苯）,泡克耳斯效应,偏振片1,(2) 泡克耳斯效应,偏振片2,KDP（磷酸二氢钾）是一种无对称中心的晶体，沿某一特定方向施加电场后，在晶体内能对某种方向的入射光产生双折射,能产生旋光现象的叫旋光物质(如石英晶体、糖溶液、酒石酸溶液等），物质的这种性质称为旋光性.,旋光仪-观察偏振光振动面旋转的仪器。,旋光现象-偏振光通过某些物质后，其振

17、动面将以光的传播方向为轴线转过 一定的角度。,23.7.3 旋光现象,1. 晶体的旋光性,线偏振光通过旋光晶体时，振动面转过的角度与晶体的长度成正比,左旋物质：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）。,右旋物质：面对着光源观察，使光振动面的旋转为顺时针的旋光物质(如葡萄糖溶液）；,式中 是与旋光物质及入射光波长有关的常量，称为该物质的旋光率。-白光入射会产生旋光色散,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,1. 溶液的旋光性,在制糖工业、医学检验、药物浓度测定中应用广泛,解之，得,解： 由式 有,例 纯蔗糖溶液的旋光率为 今有

18、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.,旋光现象的应用-糖量计,L-透镜,P-起偏器,单色光源,T-玻璃容器,A-检偏器,1. 已知溶液旋光率时，T中先后装入溶剂和溶液，测出旋转角 ，浓度由公式 算出； 2. 不知溶液旋光率时，用比较法算出：,标准溶液( ) ，旋转角度 待测溶液( ) ，旋转角度,3. 菲涅耳的旋光理论 对于晶体为何具有旋光性，菲涅耳根据振动合成的原理作出了解释：因为沿一直线的简谐振动可以看作是由两个反方向的圆周运动组合而成，他假定入射的线偏振光在晶体中沿光轴方向传播时，分解成了频率相同、振幅相等的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，但它们的传播速度略有不同，或

19、说晶体对这两种光呈现不同的折射率，经过一定厚度的晶体后，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光就有了一定的相位差.,4. 圆二色性 实际上，旋光物质对光都有一定的吸收，而且许多旋光物质对右旋、左旋圆偏振光的吸收率不同，这就使得右旋、左旋圆偏振光经过一定厚度的物质后的相位不同，振幅也会不同，合成后将不再是线偏振光，而是椭圆偏振光，这种现象称为圆二色性.圆二色法在分子相互作用的研究、有机化合物结构的分析中有许多优点，在生物学、医学和生物物理学领域有着广泛的应用.,5. 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1846年发现的，常称为法拉第旋转。实验表明，对于给定的磁性介质，线偏振光通过样品后，振动方向转过的角度 与样品长度 和外加磁场的磁感应强度 成正比，即式中 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。,光隔离器原理图,法拉第盒,本章结束,图片取自 Internet,