第24章：光的偏振

(4) 正晶体与负晶体 o光: vot · ·· · · · · · · · ·· · ·· · · · ·· ·· · · e光: vot vet
光轴
光轴
no , ne no, ne 称为晶体的主折射率
vot vet
光轴 正晶体
c no vo
c ne ve
负晶体
vot vet
§24.5 双折射现象
⒈晶体中光的双折射现象
—— 一束光射入 各向异性介质 后，出现两束折 射光线的现象
⑴ 寻常光线和非常光线 寻常光线(o光) (ordinary rays) 服从折射定律的光线 非常光线(e光) (extraordinary rays) 不服从折射定律的光线 （一般情况，非常光线e光不一定在入射面内） 实验证明： O 光和 e 光均为偏振光。 A
蔗糖的左 右旋分子:
3. 旋光现象的解释
线偏振光是由两角频率相同但方向相反的两个圆 偏振光组成的, 且在物质中的速度不同
设vR vL
L R 1 l l l c c 2 2 vL vR vL vR n L nR l
注意
利用玻璃片堆产生线偏振光
i0
i0
i0
i0
i
i
i
讨论 讨论上面光线的反射和折射(起偏角
i 0 )。
例 一自然光自空气射向一块平板玻璃，入射角 为布儒斯特角 i0 ，问 在界面 2 的反射光是什么光？ 空气 注意：一次起偏垂 直入射面的振动仅 很小部分被反射(约 15%) 所以反射偏 振光很弱。一般应 用玻璃片堆产生偏 振光。
验证: 菲涅耳组合棱镜
4. 法拉第磁致旋光效应 人工产生旋光
P1, P2: 两正交的偏振片 如果在管中通以电流, 则光可以透过P2 光线顺着和逆着磁场方向传播时，旋光方向相反 ~ 磁致旋光的不可逆性
椭圆或圆偏振光可以看成是两个相互垂直 而有一定相差的线偏振光的合成
3. 部分偏振光
特点: 介于完全偏振光与自然光之间，有占优方向。某 一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的 光为部分偏振光。 表示法:



§24.2 线偏振光的获得与检验 ⒈ 偏振片
只让光矢量沿某一特定方向(偏振片的通光方向或偏 振化方向)的分量透过 起偏器：产生线偏振光 检偏器：检验线偏振光
P1
自然光
●
P2
线偏振光
.
. . . .
● ●
●
●
起偏器
检偏器
2. 马吕斯定律
光振动方向OM 检偏器偏振化方向ON
M
E0
N

E E0 cos
I E 2 I 0 E0
2
O 马吕斯定律: 一束光强为I0的线偏光，透过检偏器以 后，透射光强为：
I I 0 cos 2
为线偏光的光振动方向OM与检偏器偏振化方向ON 间的夹角。
实验表明，折射率差为
n o n e kE 2 二次电光效应
k为克尔常数，与液体有关 通过液体后两束折射光的光程差为：
2
U n o n e l klE kl 2 d
2
U变化变化偏振光光强变化，得到调制 有些晶体在加了电场之后也能改变其各向异性，其 折射率差值与电场强度成正比，称为线性电光效应(泡 克尔斯效应) 克尔效应与泡克尔斯效应的区别在于：克尔效应 是各向同性的物质经强电场作用变成各向异性的单轴 晶体，泡克尔斯效应是单轴晶体经强电场作用变成双 轴晶体。 U
Ae A cos
光 轴
2π no ne d
是光振动方向与晶片光轴夹角， 两束振动方向相互垂直而相差一定的 光互相叠加形成椭圆偏振光
2. 晶片(又称相位延迟片)
四分之一波片: 选择适当的晶体厚度d使得o光和e光相差为/2 (相 应的光程差为四分之一波长), 则形成正椭圆偏振光
注意:
1) 四分之一波片是对特定波长而言的 2) 如果使 = /4, 则通过晶片后为圆偏振光
二分之一波片: 选择适当的晶体厚度 d使得o光和e光相差为(相应 的光程差为二分之一波长), 则通过后仍为线偏振光, 但 其振动面旋转了2。
2
选择 =/4, 可使线偏振光振动面旋转/2
/2
第24章：光的偏振
主要内容
光的偏振状态 线偏振光的获得与检验 反射和折射时光的偏振 由散射引起的光的偏振 双折射现象 椭圆偏振光和圆偏振光 偏振光的干涉 人工双折射 旋光现象
* * * *
24.1
光的偏振状态
机械横波与纵波的区别
机 械 波 穿 过 狭 缝
⒈非偏振光(自然光) 特点: 在垂直于其传播方向的 平面内光矢量各向均匀, 无占 优方向
3. 椭圆偏振光的检验
椭圆偏振光(圆偏振光)与部分偏振光(自然光)的区别: 前者的两个互相垂直的分振动有确定相位差, 后者则无
四 部分偏振光 分 之 一 椭圆偏振光 波 片 四 自然光 分 之 一 圆偏振光 波 片
部分偏振光 线偏振光
自然光 线偏振光
使晶片的光轴平行于椭圆的轴
*§24.8 人工双折射 ——人为条件下产生各向异性, 形成的双折射现象
B o C e D o e
产生双折射的原因
寻常光线 在晶体中 各方向上传播速度相同。
光轴
O光波阵面
c nΟ 常量 vΟ
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。
ve
vO
c ne ve
e 光波阵面
方解石晶体 (2) 光轴：在方解石这类 晶体中存在一个特殊的 方向，当光线沿这一方 向传播时不发生双折射 现象。称这一方向为晶 体的光轴。 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
2) 为什么正午的太阳基本上呈白色，而旭日和夕阳 却呈红色？ 正午时，因太阳高度最大，太阳辐射穿过的大气 层最薄，大气对太阳辐射的散射等削弱作用很弱，故 而此时的太阳呈夺目的白色！ 而早、晚时的太阳高度都很小，太阳辐射穿过的 大气层最厚，大气对太阳辐射的散射作用最强，故而 太阳辐射中波长较短的蓝光等几乎都侧向散射，主要 剩下波长较长的红光到达观察者，所以在人们看来， 此时的太阳呈红色。

线 偏 振 光

e
线 偏 振 光

自然光
散射光强与光的频率 的4次方成正比 思考:
1) 天空为什么呈现蓝色呢？ 2) 为什么正午的太阳基本上呈白色，而旭
日和夕阳却呈红色？
部 分 偏 振 光
1) 天空为什么呈现蓝色呢？ 天空的蓝色是大气分子、冰晶、水滴等和阳光共同 创作的图景。当太阳光进入大气后，空气分子和微粒(尘 埃、水滴、冰晶等)会将太阳光向四周散射。其中红光波 长最长，紫光波长最短。波长比较长 (频率小)的红光透 射性最大，大部分能够直接透过大气中的微粒射向地面 ；而波长较短的蓝、靛、紫等色光，很容易被大气中的 微粒散射。当光穿过大气层时，被空气微粒散射的蓝光 约比红光多5.5倍。因此晴天天空是蔚蓝的。 但是，当空中有雾或薄云存在时，因为水滴的直径 比可见光波长得多，选择性散射的效应不再存在，不同 波长的光将一视同仁地被散射，所以天空呈现白茫茫的 颜色。当大雨过后，你是否注意过天会更蓝，越是晴朗 的天气，天越蓝，这是因为这样的天气里，空气中的尘 粒、水滴、冰晶的数量会很多。
sin i0 n2 sin n1
i0 2
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。
i0 i0
n1 n2
玻璃
i0
n1 n2
玻璃


n1 cos i0 tan cot i0 n2 sin i0
对于一般的光学玻璃 , 反射光的强度约占 入射光强度的7.5% , 大部分光将透过玻璃。
光轴
ve < vo
ve > vo
应用:
1) 用格兰·汤姆逊偏振棱镜得到偏振光:
玻璃n=1.655
· · · · · ·
方解石
o · · ·e · · ·
光轴 胶合剂 (n= 1.655)
2) 用二向色性获得偏振光:
寻常光线被全 部吸收掉了
*§24.6 椭圆偏振光和圆偏振光
⒈椭圆偏振光的产生
Ao A sin
102 A 102

光轴
78 78

Baidu Nhomakorabea
102
78
B 光轴
(3) 主平面 ——光的传播方向与晶体光轴构成的平面
光轴与o光构成的平面叫o光主平面, o光的光振动 方向垂直于主平面 光轴与 e光构成的平面叫 e光主平面, e光的光振动 方向在主平面内
e 光不一定在入射面内，所以 o光和 e光的主平面 并不重合。 特殊当光轴在入射面时，o光和e光的主平面重合。
例： 有两个偏振片,一个用作起偏器, 一个用作检 偏器. 1)当它们偏振化方向间的夹角为30o时 , 一束单色 自然光穿过它们, 出射光强为I1 ; 2)当它们偏振化方向 间的夹角为60o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 。
片,可以避免汽车会车时灯光的晃眼
§24.3 反射和折射时光的偏振
⒈ 反射和折射产生的偏振现象 一般情况下，自然光反射和折射后成为部分偏振光 自然光 部分偏振光,
入射面：入射光线 和法线所成的平面。
n1 n2

i

垂直振动占优
部分偏振光, 反射光：部分偏振光，垂直 于入射面的振动大于平行于 平行振动占优 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。
⒈应力双折射 ——在力的作用下产生变形, 获得各向异性。 工程上制成零件的相应塑料模型, 通过观察模型受 力时的偏振光干涉图样, 从而判断零件内部应力分布, 这称为光弹性方法
零件的塑料模型的光弹性照片:
条纹越密, 应力越集中
2.克尔效应
——在强电场的作用下产生各向异性 实验装置:
偏振片P1, P2 正交 给液体加上平行板电极, 则形成的“晶体”光轴方向沿 电场方向
E
v
符号表示
表示法: 可用两个相互独立而且垂直的振幅相等的光 振动表示
2.完全偏振光 (1)线偏振光:
特点: 在垂直于其传播方向的平面内, 光矢量只沿一个固定方向振动
振动面: 光矢量和光的传播方向构成的平面 表示法:

(2)椭圆(圆)偏振光:
椭圆偏振光:光矢量绕着传播方向 均匀转动，端点轨迹为椭圆 圆偏振光:光矢量绕着传播方向均 匀转动，端点轨迹为圆
n1
i0 i0
1
n2
玻璃

2
§24.4 由散射引起的光的偏振 ⒈瑞利散射 ——微粒或分子中的 电子在入射光的作用 下振动并向各个方向 发射同频率的电磁波, 但各方向上光强不同 散射光强与光的频率的4 次方成正比 白杠的长短代表振幅 大小
2.太阳光的散射
沿电子振动的 方向，散射光 为线偏振光
自然光
I10 I 20 经过起偏器后光强分别为 和 。 2 2
I I 2 2 10 20 经过检偏器后 I1 cos 30 I2 cos 60 2 2 I10 cos 2 30 1 I1 I 2 2 I 20 cos 60 3
3. 偏振片的应用
例如:
(1) 制成偏光眼镜，可观看立体电影 (2) 在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上特定的偏振

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
n1 n2
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。
i0 — 布儒斯特角或起偏角 讨论 1) 反射光和折射光互相垂直。
n2 sin i0 tan i0 n1 cos i0 π cos i0 sin cos( ) 2
*§24.9 旋光现象 ——线偏振光经过某些物质后其偏振面发生旋转的现象
⒈旋光现象 ⑴ 晶体 旋转角度
l
:晶体的旋光率
(2) 液体 C l
[:]: 液体的旋光率
C:溶液浓度
2. 旋光物质
同一种旋光物质由于使偏振面旋转的方向不同而分 为左旋物质和右旋物质. 迎着光线望去，使偏振面沿顺时针方向旋转的为右 旋物质，反之为左旋物质 相应的左旋物质和右旋物质结构互为镜像