第5章-光的偏振..ppt

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1、第五章第五章光光 的的 偏偏 振振Polarization of Light本章主要内容本章主要内容5-15-15-15-1 光的偏振状态光的偏振状态5-25-25-25-2 线偏振光的获得与检验线偏振光的获得与检验5-35-35-35-3 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振5-45-45-45-4 双折射现象双折射现象5-55-55-55-5 椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光5-65-65-65-6 偏振光的偏振光的干涉干涉5-75-75-75-7 人工双折射人工双折射5-85-85-85-8 旋光现象旋光现象第五章第五章 光的偏振光的偏振所谓所谓偏振偏振偏振偏振是指：是指：光

2、矢量总是与光光矢量总是与光的传播方向垂直的特性。的传播方向垂直的特性。事实上就是电磁波的事实上就是电磁波的横波性横波性光矢量总是处于振动态光矢量总是处于振动态 振动方向振动方向光实质上是电磁波，电磁波都是横波。通常把光波中光实质上是电磁波，电磁波都是横波。通常把光波中的电场强度的电场强度 称为称为光矢量光矢量光矢量光矢量。对确定的传播方向，光矢量可能的对确定的传播方向，光矢量可能的方向并不唯一。方向并不唯一。光矢量光矢量传播方向传播方向 光矢量光矢量振动方向振动方向第五章 光的偏振5-1 5-1 光的偏振状态光的偏振状态Polarization States of Light偏振态偏振态偏振态

3、偏振态光矢量的振动状态。（振动方向及其角分布）光矢量的振动状态。（振动方向及其角分布）非偏振光非偏振光自然光自然光自然光自然光 non-polarized/natural light 非偏振光非偏振光完全偏振光完全偏振光部分偏振光部分偏振光通常光有三类不同的偏振态：通常光有三类不同的偏振态：光矢量角分布均匀光矢量角分布均匀自然光示意图自然光示意图普通光源普通光源发出的光都是非偏振光发出的光都是非偏振光。所有光矢量在任意两个垂直的振动方向所有光矢量在任意两个垂直的振动方向上的投影之和相等。上的投影之和相等。光矢量投影光矢量投影5-1 光的偏振状态 完全偏振光完全偏振光 线偏振光线偏振光线偏振光线

4、偏振光 linearly polarized light 光矢量有单光矢量有单一的振动方向一的振动方向线偏振光示意图线偏振光示意图 椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光和和圆偏振光圆偏振光圆偏振光圆偏振光光矢量均匀转动光矢量均匀转动（以光的频率）（以光的频率）轨迹为轨迹为椭圆椭圆或或圆圆两方向垂直两方向垂直、相差、相差为为 /2/2 线线偏振光的偏振光的合成合成.左旋光左旋光左旋光左旋光右旋光右旋光右旋光右旋光分分偏振面偏振面5-1 光的偏振状态 部分偏振光部分偏振光部分偏振光部分偏振光 partial polarized light 光矢量振动方光矢量振动方向的角分布不均匀向的角分布不均

5、匀部分偏振光示意图部分偏振光示意图光矢量投影光矢量投影自然光经反射或折射后得到的光多为部分自然光经反射或折射后得到的光多为部分偏振光。偏振光。部分部分偏振光可视偏振光可视为自然光与线偏振光为自然光与线偏振光的叠加。的叠加。=+5-1 光的偏振状态5-2 5-2 线偏振光的获得与检验线偏振光的获得与检验Obtainment and Testing of a Linearly Polarized Light 偏振片偏振片偏振片偏振片能够吸收一个方向的光矢量而让其垂直方向的能够吸收一个方向的光矢量而让其垂直方向的光矢量通过，并获得线偏振光的器件。光矢量通过，并获得线偏振光的器件。1.1.线线偏振偏振

6、光光的获得与的获得与检验检验光矢量能够通过的那个振动方向称为光矢量能够通过的那个振动方向称为通光方向通光方向通光方向通光方向或或偏振偏振偏振偏振化方向化方向化方向化方向。线栅线栅 硫酸碘奎宁硫酸碘奎宁 电气石的二向色性电气石的二向色性 线线偏振光的获得偏振光的获得自然光通过偏振片可以自然光通过偏振片可以获得获得线偏振光。线偏振光。偏振片用于获得线偏振光时称为偏振片用于获得线偏振光时称为起偏起偏起偏起偏器器器器。5-2 线偏振光的获得与检验非偏振光非偏振光I0线偏振光线偏振光 IP 偏振化方向偏振化方向（通光方向）（通光方向）l 线偏振光的起偏线偏振光的起偏 光矢量投影光矢量投影部分部分偏振光可

7、视偏振光可视为自然光与线偏振光为自然光与线偏振光的叠加。的叠加。=+部分部分偏振光通过偏振片的光强？偏振光通过偏振片的光强？偏振片用于检验偏振状态时称为偏振片用于检验偏振状态时称为检偏器检偏器检偏器检偏器。线线偏振光的检验偏振光的检验转动用于检验的偏振片观察透射光。当通光方向与入射转动用于检验的偏振片观察透射光。当通光方向与入射的线偏振光振动方向垂直时，透射光强为零，即出现的线偏振光振动方向垂直时，透射光强为零，即出现消光消光消光消光现现象。如果有消光，则表明入射光为线偏振光；否则，不是线象。如果有消光，则表明入射光为线偏振光；否则，不是线偏振光。偏振光。l 若若 I 不变，是什么光？不变，是

8、什么光？l 若若 I 变，有消光，是什么光？变，有消光，是什么光？l 若若 I 变，无消光，是什么光？变，无消光，是什么光？一个偏振片能否用于检验偏振状态？一个偏振片能否用于检验偏振状态？5-2 线偏振光的获得与检验MalusMalus定律定律定律定律1809年实验年实验2.2.Malus定律定律入射的线偏振光振动方向与检偏器入射的线偏振光振动方向与检偏器 P2 的通光方向成任意的通光方向成任意角角 时，出射光的强度为多大？时，出射光的强度为多大？设入射线偏振光光矢量的振幅为设入射线偏振光光矢量的振幅为 A0，通过通过 P2 的光矢量振幅为的光矢量振幅为 A。因检因检偏器只允许偏器只允许P2

9、方向的光矢量振动分量方向的光矢量振动分量通过，故有通过，故有相应的光强关系为相应的光强关系为5-2 线偏振光的获得与检验思考思考1：两个正交偏振片中间再加一个偏振片，将出现什么现象？两个正交偏振片中间再加一个偏振片，将出现什么现象？P1 P3 P2应用：应用：立体电影立体电影 例例 光强为光强为 I0 的自然光通过通光方向相互垂直的两块偏振片。现将的自然光通过通光方向相互垂直的两块偏振片。现将第三块偏振片插入此两偏振片之间，并令其通光方向与第一块偏振片的通第三块偏振片插入此两偏振片之间，并令其通光方向与第一块偏振片的通光方向成光方向成 角，求透过角，求透过P2P2偏振片的光强及其最大值。偏振片

10、的光强及其最大值。解：透过第一块偏振片的光强为解：透过第一块偏振片的光强为透过透过P3偏振片的光强为偏振片的光强为透过透过P2偏振片的光强为偏振片的光强为P1 P3 P25-3 5-3 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振Polarization of Light in Reflection and Refraction实验表明：当自然光在两种各向同性的介质分界面上反实验表明：当自然光在两种各向同性的介质分界面上反射和折射时，反射光和折射光的偏振态将发生变化：射和折射时，反射光和折射光的偏振态将发生变化：一般情况下，反射光和折射光都是部分偏振光。一般情况下，反射光和折射光都是部分偏振光。当

11、当 为特定角为特定角 时，反射光为线偏振光，且光矢量垂直时，反射光为线偏振光，且光矢量垂直于入射面于入射面（折射光仍为部分偏振光）（折射光仍为部分偏振光），该特定角满足，该特定角满足BrewsterBrewster（起偏起偏起偏起偏)角角角角1812年实验中得到，称为年实验中得到，称为BrewsterBrewster定律定律定律定律。5-3 反射和折射时光的偏振 的等价条件为：的等价条件为：反射光线垂直于折射光线反射光线垂直于折射光线反射光线垂直于折射光线反射光线垂直于折射光线即即 光的电磁理论建立后光的电磁理论建立后，Brewster 定律可以从该理论推定律可以从该理论推 导出来：设导出来：

12、设垂直垂直于入射面的光矢量称为于入射面的光矢量称为 s 光光；平行平行于入射面于入射面的光矢量称为的光矢量称为 p 光光。理论上导出。理论上导出 s 光和光和 p 光的能量反射率分光的能量反射率分别为别为5-3 反射和折射时光的偏振当当 时，时，即反射光的，即反射光的 p 光强度光强度为零，反射光只有为零，反射光只有 s 光，为光，为线偏振光线偏振光。折射光中也包含。折射光中也包含 s 光（光（因因 Rs 1），），故折射光为故折射光为部分偏振光部分偏振光。（空气）（空气）（玻璃）（玻璃）5-3 反射和折射时光的偏振玻璃片堆玻璃片堆反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振性是普遍存在的。应用这

13、一性是普遍存在的。应用这一性质制成的性质制成的玻璃片堆玻璃片堆，可以，可以用它获得线偏振光。用它获得线偏振光。产生偏振光的氦氖激光器产生偏振光的氦氖激光器Brewster窗窗100%反射反射率的反射镜率的反射镜99%反射反射率的反射镜率的反射镜利用这一性质还可以制利用这一性质还可以制成产生线偏振光的激光器：成产生线偏振光的激光器：5-3 反射和折射时光的偏振i0 i0i0激光输出激光输出布儒斯特窗布儒斯特窗M1M2i0有反射光干扰的橱窗有反射光干扰的橱窗在照相机镜头前加偏振在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰片消除了反射光的干扰5-4 5-4 双折射现象双折射现象Birefringence

14、 Phenomena双折射的两条光线：双折射的两条光线：一条服从折射定律，称为一条服从折射定律，称为寻常光寻常光寻常光寻常光或或o o光光光光；另一条不服从，称为另一条不服从，称为非常光非常光非常光非常光或或e e光光光光。双折射现象双折射现象 寻常光与非常寻常光与非常光光ordinary light,extraordinary light一般透明介质（晶体或非晶体）中的光速是一般透明介质（晶体或非晶体）中的光速是各向同性各向同性的的，光在这类介质的分界面上发生的折射服从折射定律：光在这类介质的分界面上发生的折射服从折射定律：然而，有许多晶体（如方解石、石英、云母、电气石、然而，有许多晶体（如

15、方解石、石英、云母、电气石、冰等）中的光速具冰等）中的光速具各向异性各向异性。当自然光从空气入射到这类晶。当自然光从空气入射到这类晶体的表面时，会产生两条折射光线。体的表面时，会产生两条折射光线。这种现象称为这种现象称为双折射现象双折射现象双折射现象双折射现象。eo5-4 双折射现象双折射会映射出双像双折射会映射出双像以以方解石方解石方解石方解石（CaCO3）为例：为例：eo eo实验进一步表明，实验进一步表明，o光和光和e光都是线偏振光，振动方向彼光都是线偏振光，振动方向彼此垂直，且随晶体转动而改变。此垂直，且随晶体转动而改变。o光和光和e光的振动方向由晶体特性决定。光的振动方向由晶体特性决

16、定。双折射晶体的各向异性特征双折射晶体的各向异性特征光轴光轴光轴光轴光轴光轴晶体中的特殊晶体中的特殊方向，当光线沿此方向传播方向，当光线沿此方向传播时，寻常光和非常光的传播时，寻常光和非常光的传播速度相同，折射率相同，不速度相同，折射率相同，不发生双折射。发生双折射。单轴晶体单轴晶体单轴晶体单轴晶体和和双轴晶体双轴晶体双轴晶体双轴晶体注：光轴代表的是某个方向，不是某一条直线。注：光轴代表的是某个方向，不是某一条直线。5-4 双折射现象研究表明：晶体中光速的各向异性可以用研究表明：晶体中光速的各向异性可以用折射率椭球折射率椭球折射率椭球折射率椭球来来表示表示子波子波子波子波的波面为的波面为旋转椭

17、球面旋转椭球面旋转椭球面旋转椭球面正晶体正晶体 负晶体负晶体uo o光的光速。光的光速。（各向同性（各向同性）ue e光在垂直于光轴方向上光在垂直于光轴方向上的光速。的光速。（极大值或极小值）极大值或极小值）与与ue相对应的相对应的 e光的折射率为光的折射率为称为称为主折射率主折射率主折射率主折射率，即，即 。o光的折射率为光的折射率为 ；正晶体正晶体正晶体正晶体：负晶体负晶体负晶体负晶体：石英，冰石英，冰方解石，电气石方解石，电气石5-4 双折射现象 寻常光和非常光的偏振态寻常光和非常光的偏振态主平面主平面主平面主平面光线与光轴所构成的平面。光线与光轴所构成的平面。主平面主平面 入射面入射面

18、利用利用Huygens作图法作图法可以给出折射光的传播方向和偏振态：可以给出折射光的传播方向和偏振态：光轴光轴光轴光轴光光轴轴光光轴轴光轴光轴o光的振动面垂直于主平面；光的振动面垂直于主平面；e光的振动面平行于主平面。光的振动面平行于主平面。5-4 双折射现象主平面主平面晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面o光光光轴光轴o光的光的主平面主平面e光光光轴光轴e光的光的主平面主平面叫该束光的叫该束光的主平面。主平面。返回返回加拿大树胶加拿大树胶 偏振棱镜偏振棱镜 Nicol棱镜棱镜主截面主截面主截面主截面通过光轴并垂直于晶体任通过光轴并垂直于晶体任一解理面（

19、晶面）的平面。一解理面（晶面）的平面。垂直于主截面切割垂直于主截面切割切去切去主主截截面面方解石：方解石：5-4 双折射现象玻璃玻璃方解石方解石粘合剂粘合剂玻璃玻璃粘合剂粘合剂方解石方解石 Rochon棱镜棱镜 Glan-Thompson棱镜棱镜 Wollaston棱镜棱镜 晶体的二向色性晶体的二向色性自然光自然光非常光非常光吸吸收收寻寻常常光光5-4 双折射现象5-5 5-5 椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光Elliptically and Circularly Polarized Light振动方向相互垂直的两个简谐运动合成为椭圆运动。振动方向相互垂直的两个简谐运动合成为椭圆运动。

20、当当 有有寻常光和非常光的振动方向相互垂直，如果它们相差为寻常光和非常光的振动方向相互垂直，如果它们相差为 ，叠加后的光矢量按椭圆方式运动。，叠加后的光矢量按椭圆方式运动。利用双折射晶体可以使利用双折射晶体可以使o光和光和e光的相差差光的相差差 。线偏振光通过一块用双折射晶体线偏振光通过一块用双折射晶体制成的制成的晶片晶片晶片晶片，可以产生椭圆偏振光。，可以产生椭圆偏振光。晶片晶片5-5 椭圆偏振光和圆偏振光（光轴）（光轴）要使要使即即则则四分之一波片四分之一波片四分之一波片四分之一波片使使o光和光和e光光的光程差等于的光程差等于 的晶片。的晶片。1/4波片波片5-5 椭圆偏振光和圆偏振光二分

21、之一波片二分之一波片二分之一波片二分之一波片使使o光和光和e光光的光程差等于的光程差等于 的晶片。的晶片。线偏振光通过四分之一波片即可变为椭圆或圆偏振光。线偏振光通过四分之一波片即可变为椭圆或圆偏振光。如果如果 ，和和 的振幅不等的振幅不等 椭圆椭圆偏振光；偏振光；如果如果 ，和和 的振幅相等的振幅相等 圆圆偏振光。偏振光。线偏振光通过二分之一波片仍为线偏振光。线偏振光通过二分之一波片仍为线偏振光。（光轴）（光轴）入射入射出射出射1/2波片波片椭圆偏椭圆偏 1/2波片？波片？椭圆偏椭圆偏 1/4波片？自然光入射？波片？自然光入射？5-5 椭圆偏振光和圆偏振光三、椭圆与圆偏振光的检偏三、椭圆与圆

22、偏振光的检偏【思考思考】如何用四分之一波片和偏振片区分如何用四分之一波片和偏振片区分部分偏振光部分偏振光和和椭圆偏振光椭圆偏振光自然光自然光和和圆偏振光圆偏振光 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，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

23、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5-6 5-6 偏振光的干涉偏振光的干涉Interference of Polarized Lights因因 o o 光光和和 e e 光光的振动方向垂直，不能相干叠加。但线的振动方向垂直，不能相干叠加。但线偏振光通过偏振片和晶片偏振光通过偏振片和晶片等器件，可以使偏振光相干叠加，等器件，可以使偏振光相干叠加，实现偏振光的干涉。实现偏振光的干涉。入射入射两偏振片两偏振片P1 1和和P2 2通光方向正交，中间插入一晶片通光方向正交，中间插入一晶片C：晶晶片片和和 的相差为：的相差为

24、：通过通过 P2 2的光矢量的光矢量 和和 的振幅为：的振幅为：5-6 偏振光的干涉和和 的相差为：的相差为：当当 ，时，时，即即 ，干涉加强；，干涉加强；当当 ，时，时，即即 ，干涉减弱。，干涉减弱。如果是白光入射，干涉场呈现彩色的干涉条纹。如果是白光入射，干涉场呈现彩色的干涉条纹。（1 1）晶片厚度）晶片厚度 d 均匀，干涉场光强均匀；均匀，干涉场光强均匀；（2 2）晶片厚度）晶片厚度不不均匀，干涉场呈现干涉条纹。均匀，干涉场呈现干涉条纹。如果是单色光入射：如果是单色光入射：5-6 偏振光的干涉 例例 在通光方向相互垂直的两块偏振片之间放一块（在通光方向相互垂直的两块偏振片之间放一块（1

25、1）1/41/4波片，波片，（2 2）1/21/2波片，波片的光轴与两偏振片通光方向均成波片，波片的光轴与两偏振片通光方向均成4545 角，光强为角，光强为 I0 的的自然光相继通过三者后，出射光的强度为多少？自然光相继通过三者后，出射光的强度为多少？解：自然光通过第一块偏振片的光强为解：自然光通过第一块偏振片的光强为圆偏振光通过第二块偏振片后的光强减半。最后的光强为圆偏振光通过第二块偏振片后的光强减半。最后的光强为 。（1）1/4波片：线偏振光通过波片后为圆偏振光，光强不变。波片：线偏振光通过波片后为圆偏振光，光强不变。1/4波片波片（2）1/2波片：线偏振光通过波片后仍为线偏振光，振动方向

26、如图，波片：线偏振光通过波片后仍为线偏振光，振动方向如图，且光强不变。且光强不变。最后的光强为最后的光强为 。1/2波片波片5-7 5-7 人工双折射人工双折射Artificial Birefringence原本各向同性的非晶体，在人为的条件下原本各向同性的非晶体，在人为的条件下（施力或加静（施力或加静电场）电场）变为各向异性。这种人为的各向异性材料所产生的双变为各向异性。这种人为的各向异性材料所产生的双折射现象称为折射现象称为人工双折射人工双折射人工双折射人工双折射。光弹性效应光弹性效应光弹性效应光弹性效应（应力双折射应力双折射应力双折射应力双折射）材料上所加应力不均匀，材料上所加应力不均匀

27、，屏幕上屏幕上会会呈现干涉条纹。呈现干涉条纹。各向同性的非晶体在施加各向同性的非晶体在施加应力应力的条件下变为各向异性的条件下变为各向异性（同单轴晶体），应力撤除后又恢复各向同性。（同单轴晶体），应力撤除后又恢复各向同性。P1P2屏幕屏幕实验表明：实验表明：5-7 人工双折射 KerrKerr效应效应效应效应屏幕屏幕Kerr盒盒+P1P2各向同性的非晶体或液体在外加各向同性的非晶体或液体在外加均匀电场均匀电场的条件下变为的条件下变为各向异性（同单轴晶体），这种效应随电场强度变化而变化。各向异性（同单轴晶体），这种效应随电场强度变化而变化。U变化变化 屏幕明暗变化屏幕明暗变化KKerr常数常数光

28、程差：光程差：实验表明：实验表明：5-7 人工双折射5-8 5-8 旋光现象旋光现象Roto-optical Phenomena线偏振光通过石英晶体（沿光轴方向）或通过某些液体线偏振光通过石英晶体（沿光轴方向）或通过某些液体溶液时，光的振动面会发生偏转，这种现象称为溶液时，光的振动面会发生偏转，这种现象称为旋旋旋旋光效应光效应光效应光效应。P旋光晶体旋光晶体实验表明：实验表明：晶体的晶体的旋光率旋光率旋光率旋光率左旋左旋左旋左旋物质和物质和右旋右旋右旋右旋物质物质液体液体/溶液溶液（糖量计）（糖量计）P2 P1液体的旋光率液体的旋光率液体的密度液体的密度液体和溶液：液体和溶液：松节油、乳酸、糖溶液等松节油、乳酸、糖溶液等同分异构体同分异构体同分异构体同分异构体5-8 旋光现象本本章结束章结束The End of This Chapter