8旋光效应、光与物质相互作用(1)

表示，（2）计算各区域光强。 P1
C P2
I 0
Z
I1 I0 cos2 30
3 4 I0
3 I2 4 I0
I3
3 4
I0
cos2
30
9 16 I0
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17
光的偏振知识点
一、马吕斯定律
I I0 cos2
结合波片的相位延 迟性计算有关问题。
光强为线偏振光入射偏振片后出射光的光强
2 相干光强与, , 有关2
I / 2 I
I0 [cos2
sin 2
sin 2(
) sin 2
]
2
2
0
是通过P1后的光强
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9
P1
晶片C P2
EoEe
EoEe
I0
I1
I0 2
ZZ 同频率
d
I
I0 [cos2
sin 2
sin 2(
) sin 2
]
2
2
2
2
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3
二、椭圆偏振光与圆偏振光 在前表面相位相同
Z
A
Ae Ao
到后表面相位差：
2
2 d
ne
no
线偏振光
d
Z
m
线偏振光
2m 1
2
正椭圆 偏振光
45
圆偏 振光
Ae
A
Ao Asin
Ao Ae Acos
Ao Ae
其它斜椭圆
思考：自然光入射，出 射光偏振状态如何？
——瑞利散射
介质对入射光中短 波部分散射较强。
Is
1 4
（2） 大颗粒媒质散射对波 长无选择。
散射概率
瑞利散 射区
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a
26
大气的不均匀性<< ——太阳光中的短波成分（紫色、 蓝色）被散射的多——天空是蓝的！组成云的大颗粒媒 质散射对波长无选择———白的。
地球上，清晨、傍晚阳光穿过大气的距离比中午长，被 散射掉的短波成分更多——朝阳、夕阳呈红色。
♣ 当入射面和主截面重合时，即o光、 e光的主平面与入
射面、主截面三者重合时， o光、 e光的振动方向垂直。
♣ o光、 e的波阵面在光轴相切。（沿光轴无双折射）
♣ o光、 e在垂直与光轴方向上速度相差最大。
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四、如何利用波片和偏振片判断一束光的偏振状态
2 d
ne
no
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28
15.3 光的吸收
I0
I I -dI
x 0 x x+dx
a s
真吸收 散 射
dI Idx d I I d x
I d I
x
d x
I0 I
0
IlnII0I0exx 朗伯特定律
I I0ea s x
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1、 棱镜光谱
15.4 光的色散
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二、旋光本领
P1
C
P2 P1 P2
II=00
固体旋光本领 溶液旋光本领
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Z
E
E
旋光物质
l
l
单位: º/mm
cl
c 溶液的浓度
光在旋光物质 中一往一返， 振动面旋转角
度如何？ 0
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13
三、磁致旋光 铅玻璃、二硫化碳、汽油等在磁场中呈旋光性
B
P1
P2
一、 波片与相位延迟
波片光轴平行表面。 Z
光束垂直表面入射，o光、 e光传播方向相同、速度
d
不同、主折射率不同。
出射o、e光的光程差
d ne no
四分之一波片
4
2
二分之一波片
2
出射o、e光的相位差
注意：
2
2 d
ne
no
波片对确定波长而言！
注意：四分之一 波片最终产生的相位差应该是 2k
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8
14.5 偏振光的干涉
P1
晶片C
P2 EoEe
EoEe
I0
P2
P1
I1
I0 2
Z 同频率
d
2
d ne
no
P1
A
Z
Ae P2
A
Ao
Z
2
d ne no
Ao
Ae
2
d ne
no
I I0 [cos2 sin 2 sin 2( ) cos 2 ]
2
d ne
no
4
线偏振光
四分之一波片 椭圆偏振光
45o
圆偏振光
2 d
ne
no
半波片 线偏振光
d
ne
no
2
线偏振光
振动方向跨光轴转过2
五、旋光效应、人工双折射
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第十五章 光与物质相互作用
❖ 分子光学的基本概念 ❖ 光的散射 ❖ 光的吸收
❖ 光的色散
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吸收带
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0
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思考：光栅形成的光谱与玻璃棱镜的色散光谱有何不同？
玻璃棱镜对白光的散射是由于不同波长的光在玻璃中 的折射率不同，波长越大，折射率越小。
d sin m
对于同一级谱线，波长越大，折射角越大。
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泡克尔斯盒
不加电场 →单轴晶体→ P2 后面无光
加电场→晶体变双轴晶体→原光轴方向附加了双折
射效应→ P2 透光。
折射率的变化与电场强度的一次方成正比。
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P1，P2是两个平行放置的正交偏振片，C是相对与入射光的二 分之一波片（近似），其光轴与P1的透光方向的夹角为30。， 光强为I0的线偏振光从P1垂直入射，且其振动方向与P1的透光 方向成30。角。讨论（1）各区域光的偏振状态，用符号在图中
ne no kE2 （k — 克尔常数）
当
ne no
l
2
克尔盒相当于半波 片——P2 透光最大
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有毒，纯 度要求高
优点：驰豫时
间短。 10-8 s
高速光开关 或光调制器
二 次 电 光 效 应
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二、 泡克尔斯效应 (1893年) －－线性电光效应
P1
P2
E
磷酸二氢钾
d ne
no
单色光入射
白色光入射
——色偏振
1、晶片厚度均匀，视场一片均匀，明暗与厚度有关。
2、晶片厚度不均匀，视场出现干涉条纹。 1、晶片厚度均匀，由于不同波长的光干
涉结果不同，视场显示一定色彩。 2、晶片厚度不均匀，视场出现彩色条纹。
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P1，P2是两个平行放置的正交偏振片，C是相对与入射光的四 分之一波片（近似），其光轴与P1的透光方向的夹角为60。， 光强为I0的自然光从P1入射，讨论（1）各区域光的偏振状态， 用符号在图中表示，（2）计算各区域光强。
2
只是偏振态发生改变。
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5
四、区分不同偏振状态的光
线偏振光 自然光 圆偏振光 椭圆偏振光 部分偏振光
偏 光强明暗变化，有消光
振
无光强变化
片
无光强变化
旋 光强明暗变化，无消光 转 光强明暗变化，无消光
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6
自然光 , I0
I0
圆偏
振光 , I0
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4
三、利用波片改变偏振光的偏振状态
注 意
2 d
ne
no
2
d ne
no
4
箭 头 线偏振光
的
四分之一波片
45o
椭圆偏振光 圆偏振光
0o 90o
？
双 向
2 d
ne
no
d
ne
no
2
性
线偏振光
半波片 线偏振光
Z
A
A
振动方向跨光轴转过2
所有的光经过波片之后，光强不变，
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三、双折射的有关知识
光轴、主截面、主平面、入射面、折射面、主速度、主 折射率、正晶体、负晶体
o的振动垂直与自己的主平面，遵守折射定理，o光的传播 速度与传播方向无关，其波面为球面。
e光的振动平行与自己的主平面，不遵守折射定理，e光的 传播速度随方向而变，其波面是以光轴为转轴的椭球面。
o光、e光的振动方向一般不垂直
为什么吸烟者吐出的烟是白色？既然人的眼睛对黄绿光
202敏1/5/感3 ，为什么危险讯号用红DU光T 常葆？荣
27
（3）拉曼散射 光源
散射物质
光谱仪
3 2 1 1 2 3
1 0 紫伴线 1 0 红伴线
0——分子的固有频率。 分子的固有频率不止一个， 所以拉曼光谱中还有
2、 3 ； 2、 3
重子——原子核、离子 惯性大，在频率较低的红外光中才能振动。
一般
p 0E
各向同性介质： 是常量
： 分子的极化率
p // E
各向异性介质： 与外电场方向有关，是张量。
p、E 方向关系复杂。
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15.2 光的散射
媒质的不均匀性造成的结果
（1）线度<< 的媒质散射
(/4)波片
I0
P 旋转
(/4)波片
部分线
偏振光 , I0
I0
椭圆偏 振光
, I0
I0
光轴平行椭圆偏振光 的长轴或短轴
P旋转
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I 不变
IM ~ 0
IM ~ Im IM ~ 0
7
1、一束光可能是（1）自然光（2）线偏振光（3）部分偏振 光（4）圆偏振光，如何用实验决定是哪种光？
二、反射和折射光的偏振
自然光在两种界面上反 射和折射时，反射光和 折射光都是部分偏振光
反射光—— 垂直入射面振动 的成分多
折射光——平行入射面振动 的成分多
入射光以布儒斯特角入射时
1、反射光是垂直与入射面振动的线偏振光
2、折射光仍是部分偏振光
3、反射光与折射光的传播方向相互垂直
2021/5/3
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Ao Asin 60 Ae Acos 60
Ao Asin 60 cos 60
3 IA0
4
P1
I1
I0 2
C
I2
I0 2
P2
Ae Acos 60 cos 30
3A 4
Z
P1
I3 Io Ie 2
Io
I
e
cos(
2
)
A
Z
Ao
Ae
Io
1 2
Ao2
Ie
1 2
Ae2
I3
3 16
A2
3 16
I0Ao，
Ae，
P2
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11
14.6 旋光效应
一、旋光现象
P1
C
P2 P1 P2
I=00
Z
Z垂直C表面——排除双折射的干扰。
迎着光看， 随着空间传 播，光矢量
2021/5/3
顺时针旋转—— 右旋旋光物质
—— 石英、氯霉素（人工）、葡萄糖。
逆时针旋转—— 左旋旋光物质
—— 石英、氯霉素（人工 天然）、果糖。
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1
= 0
(第一象限) = /2
(第二象限)
x y 0 A1 A2
x A1 cos t y A2 cos( t )
=
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(第三象限) = 3/2 DUT 常葆荣
x2 A12
y2 A22
1
（ 第 四 象 限 ）
2
14.4 椭圆（圆）偏振光
迎着光看： 沿B——振动面右旋 逆B——振动面左旋
= 45º 可制成光隔离器！
往返光矢 量共旋转
了2 。
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14.7 人工双折射
一、 克尔效应（1875年）
P1
45o
+ 克尔盒 d
硝基苯
P2
45o
-
l
• 不加电场 → 液体各向同性 → P2 不透光。
加电场 → 液体呈单轴晶体性质（Z//E）
2、有人说可以做一个实验，让一束太阳光通过一个偏振 片得到线偏振光，然后在通过一个四分之一波片，得到了 圆偏振光。可能么？
第一部分可能。太阳光是自然光，通过一个偏振片得到线偏 振光，若不考虑吸收，光强减弱一半。第二步不可能。因为 太阳光是复色光，四分之一波片是对确定波长的单色光而言。 所以找不到一块对应的“太阳光”的四分之一波片，也不会 得到白色的圆偏振光。
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21
15.1 分子光学的基本概念
光是电磁波，物质是由分子原子构成的。光和物质的相互 作用，也就是电磁波与分子原子中带电粒子的作用。分子 原子中的带电粒子会在电磁波的作用下，做受迫振动，形 成振荡的电偶极子。
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一、 电偶极子模型
F1 qE0 cos t —— 电场力
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稳态解
r Acos ( t )
A
qE0f/0m
2
2 0
2
2 2
tan
2
2 0
2
感生电偶极矩 p q r q A c o s t
q2E0 cos t
m
2
2 0
Biblioteka Baidu
2 2 2
当 0 振幅最大
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二、 带电粒子分类
轻子——电子 惯性小，能在可见光照射下能振动。
媒质的折射率随波长而变造成的不同波长的光 沿不同方向折射的现象
（1）任何光学材料都有色散。
（2）正常色散： n
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30
2、虹与霓
2021/5/3
40.8 ° ~42.5 °
低
虹
50.1°~43.2 °
霓
高
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31
3、 反常色散
n
反常色散处于吸收带附近。 反常色散存在与一切物质中。
带电粒 子受力
F2 kr
F3
dr dt
—— 其它电荷给的弹性力 —— 电磁辐射阻尼力
d2 r
F1 F2 F3 m d t 2
d2 r dt2
2
dr dt
2 0
r
f0 cos t
稳态解
0
k m
2m
固有频率 阻尼系数
r(t) Acos( t )
f0
qE0 m
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