第23章 光的偏振.ppt

自 然 光
偏振片
偏
振
化
方
向
直的光振动通过，
这种性质称二向色 性。
线 偏
• 反射或玻璃片堆
光
• 利用物质的双折射特性制成偏振棱镜
23.2 起偏与检偏
23.2.1 偏振器(片) ：能使自然光变成偏振光的装置 (器件)。
----将二向色性材料涂在透明薄片上就可制成一 个偏振片。
透射轴方向(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 叫此偏振片的透射轴方向，也叫偏振化方向 。 23.2.2 起偏和检偏
L
式中 是与旋光物质及入射光波长有关
L 的常量，称为该物质的旋光率。
线偏振光通过溶液时振动面转过的角度除了与容器的长 度成正比外，还与溶液的浓度成正比
cL
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。
ii
n1
入射面 入射光线和法 线所成的平面 .
n2
反射光 部分偏振光 ，
空气 垂直于入射面的振动大于平
玻璃
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 .
布儒斯特定律（1812年）
i0 i0
空气
n1

n2
当
e 实验证明： O 光和 光均为偏振光.
A
B
o
e D
C
oe
3.晶体光学的几个基本概念
光轴（晶体内 nΟ ne 或 vΟ ve 的方向）
寻常光线 在晶体中
各方向上传播速度相同.
nΟ

c vΟ

常量
光轴 O光波阵面
非常光线 晶体中各
ve
方向上传播速度不同,随
方向改变而改变.
ne

c ve
ne 为主折射率
加拿大树胶n=1.550,对o光全反射临界角 A 6915
加拿大树胶
90 A
D
48
e光
68
B
O光
C
• 用途：用作偏振器
23.7.3 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 光的传播方向为轴线转过 一定的角度。
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。
玻璃
i0
n1
玻璃

n2
2）根据光的可逆性，当入射光以 角从 质入射于界面时，此 角即为布儒斯特角 .
n2
介
tan i0

n2 n1
cot i0

n1 n2

tan(π 2
i0 )

tan
讨论 讨论下列光线的反射和折射（起偏角 i0）.
i0
i0
i0
i
i
i
讨论 如图的装置 p1, p2 , p, p' 为偏振片，
I0

3 3
4

0.21I0
例2 有两个偏振片,一个用作起偏器, 一个用作检偏器. 当
它们偏振化方向间的夹角为 30时 , 一束单色自然光穿过它们,
出射光强为 ; I当1 它们偏振化方向间的夹角为 60时, 另一束单 色自然光穿过它们 , 出射光强为 I2 , 且 I1 I2 . 求两束单色
3.实用价值 i0
*23.4 双折射
一、基本现象与概念
波 动动光光学学
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。
光通过双折射晶体
vO
e 光波阵面
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 光的振动垂直
e 主截面； 光的振动平行于主截面.
光轴
109 0
光轴
1090
e光
710
710
o光
单轴晶体：只有一个光轴的晶体 双轴晶体：有两个光轴的晶体
负晶体（ne≤no） 正晶体（neno）
u

z
z
E
3.圆偏振光：|E|= 常量,方向绕传播方向匀角速的
转动的光波。顺时针为右旋，逆时针为左旋。
4.椭圆偏振光：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。
右旋圆偏振光 右旋椭圆偏振光
5.部分偏振光：自然 光在传播过程中，由 于外界的作用造成各 个振向上的强度不等 的光波。
●● ●● ●●
●●
若某一部分偏振光沿某一方向上具有光强的最大
值
I
m
，在其垂直方向上具有光强的最小值
ax
通常用
P I max I min
I min ，
I max I min
P 来量度偏振的程度，并称 为偏振度。
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(器)
二向色性 : 某 些物质能吸收某一 方向的光振动 , 而 只让与这个方向垂
23.1
波的 过
区别 狭
缝
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。
二、光波的五种偏振状态
1.线偏振光：E的方向恒不动, 其大小随位相改动的光波
2.自然光：光矢量对于传播方 向完全对称的光波，其效果可 用两个互相垂直、位相没有关 联的线偏振光来代替。
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 L 和外
加磁场的磁感应强度 B 成正比，即
VLB
V 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。
四、旋光现象的应用---糖量计
T-玻璃容器
单 色 光 源
自然光的强度之比 .
解 ： 设两束单色自然光的强度分别为 I10 和 I20 .
经过起偏器后光强分别为 I10 和 I 20 22
.
经过检偏器后
I1

I10 2
cos2
30
I2

I 20 2
cos2
60
I1 I2
I10 I 20

cos2 30 cos2 60

1 3
23.3 反射光与折射光的偏振性
I I0 cos2
P1
P2
E0
E
例1 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30°
角。如果入射的自然光光强为I0 ，求通过所有偏振片后
的透射光的强度。
解：入射的自然光强为 I0 ，通过第一个偏振片 后，光强为原来的一半，即 I1 I0 / 2 ；
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。
I自然光
I偏振光 I自然光 / 2
P1
P2
起偏器 偏振化方向
检偏器
23.2.3 马吕斯定律（1880 年）
E E0 cos
I I0

E2 E02
马吕斯定律---强度为 I0 的 偏振光通过检偏振器后, 出射 光的强度为
1. 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）；
2. 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）。
旋光仪---观察偏振光振动面旋转的仪器。
二、旋光现象的

实验规律
线偏振光通过旋光
晶体时，振动面转
M
B
过的角度与晶体的
A
长度成正比
三、双折射棱镜
A
C
e
1.渥拉斯顿棱镜
● ●●●●●●●
●●●●● ●●
● ● ●●
● ●● ●● ●●●●

•△ABC和△ADC中， o、e光播向分析
B
●●● ●● ● ● D●
• △ADC中，o、e光出射后播向分析
O
2.尼科耳棱镜 • 镜中o、e光播向分析方解石
no=1.658,ne=1.486
设通过第二、第三、第四个偏振片后的光强分别
为 I2、I3、I4 ，已知相邻两个偏振片的透射轴都成
30°角，则根据马吕斯定律有
I2 I1 cos2 30，I3 I2 cos2 30，I4 I3 cos2 30
I4

1 2
I0
cos2
30 cos2
30 cos2
30

1 2
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、了解旋光现象。 作业：12, 18, 25
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。
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。
解:
I s//

s//
I0 2
0,
I s

s
I0 2
0.04I0
Is Is// Is 0.04I0
反射光R： Is 4%； 折射光R' It 96%
I0
I0
玻璃片堆
1.问题的提出 2.获得线偏光的原理
L-透镜 P-起偏器
溶液
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 cL 算出；
2. 不知溶液旋光率时，用比较法算出：
标准溶液( cS ) ，旋转角度 S cS L
待测溶液( c ) ，旋转角度 cL
c

S
cS
tan i0

n2 n1
时，
反射光为完全偏振光，且
振动面垂直入射面，折射
玻璃
光为部分偏振光。
讨论
1）反射光和折射光互相垂直 .
sin i0 n2
sin n1
tan i0

n2 n1

sin i0 cosi0
cosi0
sin
cos(π )
2
i0


2
i0 i0 n1

n2
2.寻常光(o光)和非常光(e光)
寻常光线（o光） (ordinary rays)
当i改变时, sin i sin r

n0 (定值)
--服从折射定律的光线
非常光线（e光） (extraordinray rays)
当i改变时, sin i
sin
ne 变值
--不服从折射定律的光线
（一般情况，非常光线不在入射面内）
问下列四种情况，屏上有无干涉条纹？
p2 s1 p' s
p2
p
p'
p 45 1
p p1 s2
1）去掉 p, p' 保留 p1, p2 无（两振动互相垂直）
2）去掉 p' 保留 p, p1, p2 无（两振动互相垂直）
3）去掉 p 保留 p', p1, p2 无（无恒定相位差）
4） p1, p2 , p, p' 都保留 . 有