第23章 2 光的偏振

2
电极
二硫化碳 三氯甲烷
②泡克耳斯效应
发现于1893年，有些晶体、特别是压电晶体，在 加了电场后也能改变其各向异性的性质。泡克耳 斯效应是线性的，只存在于没有对称中心的晶体 中。 导电玻璃表面
晶体
N1
V
N2
3.磁致双折射一磁光效应(用强磁场作用发生分子磁矩 定向排列)
3.6 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。 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。
Is ' 反射光R： 4%； 折射光R I0 It 96% I0
玻璃片堆
1.问题的提出
2.获得线偏光的原理
3.实用价值
i0
3.4 双折射偏振
一、基本现象与概念
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。
VLB
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。
V
例10 纯蔗糖溶液的旋光率为 66.46cm3 dm 1 g 1 ， 今有此蔗糖液每分米长度使线偏振光的振动面旋 转 25 .85 ，求此溶液的浓度. 解： 由式
cL
n2 当 tan i0 时， n1
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。
1）反射光和折射光互相垂直 .
π cos i0 sin cos( ) 2
sin i0 n2 sin n1
n2 sin i0 tan i0 n1 cos i0
i0
保留 p' , p1 , p 2 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。
I0 解 : I s// s// 0, 2
I0 I s s 0.04 I 0 2
I s I s// I s 0.04 I 0
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 ● O △ADC中，o、e光出射后播向分析

2.尼科耳棱镜
镜中o、e光播向分析方解石 no=1.658,ne=1.486
右旋圆偏振光
右旋椭圆偏振光
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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 max，在其垂直方向上具有光强的最小值 I min ， 通常用 I max I min
P
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
P1
I偏振光 I自然光 / 2
P2
起偏器
偏振化方向
检偏器
四、马吕斯定律（1880 年）
E E0 cos
I E 2 I 0 E0
2
P2
P1
E
E0
马吕斯定律---强度为 I 0 的 偏振光通过检偏振器后, 出射 光的强度为
I maห้องสมุดไป่ตู้ I min
来量度偏振的程度，并称P 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 直的光振动通过， 这种性质称二向色 性。 反射或玻璃片堆
偏振片
自 然 光
偏 振 化 方 向
线 偏 光
有
25.85 66.46cm3 dm 1 g 1 1dm C
解之，得
25.85 C 0.3(g cm 3 ) 66.46
四、旋光现象的应用---糖量计
T-玻璃容器 单 色 光 源 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(
no ne kP
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) ①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
P1
电极
P2
ne no kE
ve
vO
c ne n ve e 为主折射率
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 主截面； 光的振动平行于主截面. 光轴 光 光轴
e
e
109
710
0
109 0
71
0
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）
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。
u
E
z
z
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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。
动 光 学 波 动光学
光通过双折射晶体
2.寻常光(o光)和非常光(e光) 寻常光线（o光） (ordinary rays)
sin i 当 i改变时, n0 (定值) sin r
非常光线（e光）
--服从折射定律的光线
(extraordinray rays)
--不服从折射定律的光线 （一般情况，非常光线不在入射面内） 光均为偏振光.
二、旋光现象的
实验规律

线偏振光通过旋光 B M 晶体时，振动面转 A 过的角度与晶体的 L 长度成正比 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。
L

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。 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
i i

空气
入射面 入射光线和法 线所成的平面 .
反射光 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 .
i0 i0
空气
布儒斯特定律（1812年）

玻璃 讨论
n1 n2
sin i 当i改变时, ne 变值 sin
实验证明： O 光和
e
A
B
o e D C o e
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.
光轴
c nΟ 常量 vΟ
O光波阵面
非常光线 晶体中各 方向上传播速度不同,随 方向改变而改变.
设通过第二、第三、第四个偏振片后的光强分别 为 I 、I 、I ，已知相邻两个偏振片的透射轴都成 2 3 4 30°角，则根据马吕斯定律有
I2 I1 cos2 30， I3 I2 cos2 30， I4 I3 cos2 30
1 1 3 2 2 2 I 4 I 0 cos 30 cos 30 cos 30 I 0 0.21I 0 2 2 4
I10 I 20 经过起偏器后光强分别为 和 2 2
经过检偏器后
.
I1 I 2
I10 I 20 2 2 I1 cos 30 I 2 cos 60 2 2 I10 cos2 30 1 2 I 20 cos 60 3
23.3 光反射与折射时的偏振性
n1 n2
玻璃
I I0 cos
2
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 I 0，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 I ，通过第一个偏振片 0 后，光强为原来的一半，即 I1 I 0 / 2 ；
3
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, 时, 另一束单 出射光强为 ; I 当它们偏振化方向间的夹角为 60 1 色自然光穿过它们 , 出射光强为 I 2 , 且 I1 I 2 . 求两束单色 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 I 20 .
c
) ，旋转角度
cL
c cS S
23.1 自然光和偏振光
机 械 波 穿 过 狭 缝
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。
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
i0
i0
i0
i
i
i
讨论 如图的装置 p1 , p 2 , p, p' 为偏振片， 问下列四种情况，屏上有无干涉条纹？
p2 s p' 1
p2
p
45
s
p
1）去掉
2）去掉 3）去掉
p'
p1
p1 s2
p, p'
保留
p'
p
保留 p, p1 , p2
p1 , p 2
无（两振动互相垂直）
无（两振动互相垂直）
4） p1 , p 2 , p, p' 都保留 .
利用物质的双折射特性制成偏振棱镜
3.2 起偏与检偏
一、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。 二、 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 。 三、起偏和检偏 起偏---将自然光变成偏振光的过程；

2
i0 i0
玻璃

n1 n2
i0
玻璃

n1 n2
2）根据光的可逆性，当入射光以 角从 n2 介 质入射于界面时，此 角即为布儒斯特角 .
n2 tan i0 n1
n1 π cot i0 tan( i0 ) tan n2 2
讨论
讨论下列光线的反射和折射（起偏角 i0）.
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、了解双折射现象和旋光现象。 作业：12,14,16,18,19,22,25
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。
加拿大树胶n=1.550,对o光全反射临界角 A 69 15

加拿大树胶
90 A 48
68

D
e光
O光
B
用途：用作偏振器
C
四、人为双折射
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：