光的偏振

第一步
令入射光通过偏振片I ， 改变 I 的透振方向，观察 透射光强变化。
观察现象 有消失 强度无变化
P1 I
强度有变化，但无消光
结论 线偏振光 自然光或圆偏振光 部分偏振光或椭圆偏振光
第二步 观察现象
a. 令入射光依次通过
四分之一 波片和偏振
片II，改变 II的透振方 向P2，观察透光强度
变化。
入射光
左旋
反射镜
右旋 反射光

B
反射镜
B
光隔离器
P
B M
·· ··
磁致旋光物质
令 45 ，则2 90，
消除反射光的干扰
波动光学部分结束
晶体光学器件
四. 偏振棱镜
偏光镜: 格兰─汤姆孙棱镜
吸收涂层
··光·轴·方·解石·i
方解石
o
···光e·轴 ··
加拿大树胶
(n = 1.55)
光轴的取向使o光、e光对应的恰是no、 ne 。
no (1.6584)＞n (1.55)＞ne(1.4864) 光轴
偏光分束镜 :沃拉斯顿棱镜
· 12
方解石 o

线偏振光通过波片即可变为 椭圆偏振光。
二. 偏振光的获得和检验
1. 偏振光的获得 1) 线偏振光： 从自然光获得线偏振光，用起偏器、波片、 玻片堆、偏振片、尼科耳棱镜等。
2) 椭圆偏振光： 自然光通过起偏器和一个波片即可。
2. 检验偏振光 设入射光有以下五种： 自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。
部分偏振光的表示法：
··
平行板面的光振动较强
·· ····
垂直板面的光振动较强
3、圆偏振光, 椭圆偏振光
右旋圆 偏振光
右旋椭圆 偏振光
y
传播方向 y
E
x
0
x
z
/2
某时刻右旋圆偏振光E随z的变化
椭圆偏振光和圆偏振光 频率相同，振动方向互相垂直，且有固定
位相差的两列线偏振光的合振动
满足椭圆方程：

磁致旋光物质
B
d
旋转的角度 V d B
V─费德尔常量，V ~ 104 105 m1 T1
对自然旋光物质，振动面的左旋或右旋是由
旋光物质本身决定的，与光的传播方向无关。
左旋

入射光
反射镜
反射光
左旋
反射镜
• 对磁致旋光物质，光沿B与逆B方向传播，
振动面旋向相反。
P
待检光
I
?
思考：
• I不变？是什么光 • I变，有消光？是什么光 • I变，无消光？是什么光
起偏器和检偏器
§20.3 反射光和折射光的偏 一振. 反射产生偏振
n1····i i ··
n2
r·
·
自然光反射和折射 后产生部分偏振光
线偏振光
n1 ···i0 i0 · S n2 r0 ·
·
起偏振角
P1 K
K P2
·电光晶体 ·
+。。-
泡克尔斯盒
• 不加电场→ P2 不透光 • 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。
泡克尔斯效应引起的相位差

p

2
no3rV
—— 线性电光效应
no—o光在晶体中的折射率；
V —电压；
r — 电光常数。 应用 :
三. 磁致双折射
二. 偏振光干涉的分析
1. 振幅关系 Ao A1sin Ae A1cos
P1 C A1
Ae
Ao A2o
P2 A2e
在P2 后，两束光振动方向平行，振幅为：
A2o Ao cos A1 sin cos
A2e Ae sin A1 sin cos A2o
第20章 光的偏振 (Polarization of
light) §20.1 光的横波性
一. 光的横波性，自然光
电矢量E称为光矢量
1、自然光
没有优势方向
自然光的分解
一束自然光可分解为两束振动方向相互 垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。
Ax Ay
I Ix Iy
自然光的表示法： · · ·
2k d 2k 1 , (k 1,2,)
ne no 2
(2k 1) d
k
—相长干涉
ne no —相消干涉
若单色光入射，且d不均匀，则屏上 出现等厚干涉条纹。
四 人工双折射
人为地造成各向异性，而产生双折射。
一. 光弹效应(应力双折射效应)
+ 45 P1
P2 45
克尔盒 l
d
• 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，
光轴平行E P2透光
ne no kE 2 ——二次电光效应
E — 电场强度，k — 克尔常
克尔效数应引起的相位差为：
k

2
ne
no
l
2
kV 2 l
d
F
··
P1 S
C
P2
有机玻璃
干涉
dF
应力→各向异性→各向不同→n各向不同
在一定应力范围内：
ne
no

kF S
各处FS不2同d →ne 各 n处o
k d 2 F S
不同→出现干涉条纹
F 变→ 变→干涉情况变。
S
二. 电光效应
1.克尔效应 (1875年) 电光效应也叫电致双折射效应
方解石 n0＞ne
光·轴···方解石··e ··
§20.5 波片 偏振态的检验
一. 波片
从单轴晶体切下来的薄片， 其表面与晶体的光轴平行。
(no ne ) d

o
e

2
(no
ne ) d
1 4
波片
(no

ne )
d



4
/ 2
半波片

(no ne ) d 2
自然光斜入射
sin i sin ro

c
o

n0
sin i sin re

c
e

ne
····i ····cΔ t
oeΔΔ
t t
r0 ·r·e e
o
光轴
··晶体 e o
3. 光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射
·· ··
··
·· 晶体
光轴
光轴 ··· ···
oe oe
·· 方解石
oe
此时e光的波面不再与其波射线垂直了
k 时，
克尔盒相当于半波片， P2透光最强 。
硝基苯 k 1.44 1018 m2 / V2 ，若l =3cm,
d=0.8cm,λ=600nm的黄光，则产生 k=
时的电压 V 2 104 V 。
克尔盒的应用 : ... 克尔盒的缺点 : ...
2. 泡克尔斯效应(1893年)
一、偏振片
• 起偏：从自然光获得偏振光
• 起偏器: 起偏的光学器件
• 起偏的原理：利用某种光学的不对称性
• 偏振片 微晶型
非·偏·振·光
光轴 线偏振光
电气石晶片
y x
分子型
入射 电磁波
z
z
线栅起偏器
二向色性和偏振片
二向色性 偏振片：
H偏振片 K偏振片
二向色性
• 偏振片的起偏 P
非偏振光I0
···
I0
2. 检偏 ...
(接近线偏振光)
玻璃片堆
§20.4 光的双折射
e
e
··· o ···
o
方解石
一. 光的双折射现象
自然光 n1
i
1. 双折射
n2
(各向异
re
2.寻常光和非寻常光 性媒质) ro
e光 o光
o光 : 遵从折射定律
n1 sin i n2 sin ro
e光 : 一般不遵从折射定律 sin i const
子波源
no
(e>o)
正晶体 (vo > ve)
vet
光轴
vot vet
子波源 负晶体 (vo < ve )
三. 单轴晶体中光传播的惠更斯作图法(e>o)
1. 光轴平行晶体表面，自然光垂直入射
光轴
··
·· 晶体
o, e在方向上虽没分开，
但速度上是分开的。
e ·· e ··
2. 光o轴平行o 晶体表面，且垂直入射面，
sin re
e光折射线也不一定在入射面内。
3. 晶体的光轴
当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生 双折射，该方向称为晶体的光轴。
例如，方解石晶体(冰洲石)
102° A
光轴
• 光轴是一特殊的方向,凡平行
于此方向的直线均为光轴。
B
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
方解石晶体光轴
4. 主平面和主截面
i = i0 时，反射光只有S分量
i 0 — 布儒斯特角或 起偏角 i0 +r0 = 90O
由 n1 sin i0 n2 sin r0 n2 cos i0
有
tg
i0

n2 n1

n21
—布儒斯特定律 (1812年)
线偏振光
n1 ···i0 i0 · S n2 r0 ·
若 n1 =1.00 (空气)， n2 =1.50 (玻璃)，则：
二、马吕斯定律
I0
P
线偏振光 I
偏振化方向 (透振方向)
A0
I

I

1 2
I0
P
A=A0cos

I0

A
2 0
,
I A2 A02 cos2
I I0 cos2 马吕斯定律（1809）
0，I Imax I0
，I 0
2
——消光
检偏 用偏振器件分析、检验光的偏振态
科顿—穆顿效应
§20.7 旋光现象 一. 物质的旋光性
使线偏振光的振动面发生旋转

旋光物质
d
旋转的角度： a d a — 旋光率
二. 菲涅耳的解释 线偏振光可看作是
同频率、等振幅、有确定相位差的左(L )、
右(R )旋圆偏振光的合成。
E


· EL
ER
o
L R nL nR
2、 线偏振光
传播方向
E
·
振动面
面对光的传播方向看
线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解
y
Ay
A

x
Ax
Ax Acos Ay Asin
线偏振光的表示法：
····· 光振动垂直板面
光振动平行板面
部分偏振光

部分偏振光
部分偏振光的分解
部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂 直的、不等幅的、不相干的线偏振光。
2. 相位关系
来源
a）入射波片前的 1，设 1=0 b）波片引起的 2
c）坐标投影引起的 3(0或)



2
n0
ne d
0 (或 )
通过晶体C后
c

2d
ne
no
此两束光合成为一束椭圆偏振光
通过P2 后


c


2d
ne
no

（若P1、P2夹角小于，则无附加相差）
主平面：晶体中光的传播方向与晶体 光轴构成的平面。
o光的 主平面
····
e光的 主平面
光轴 o光
光轴
e光
主截面：晶体表面的法线与晶体光 轴构成的平面。
二. 晶体的主折射率，正晶体、负晶体
光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同, 光的传播速度也不同。
沿光轴方向，光的传播速度相等。
垂直于光轴的方向, 光的传播速度差别最大。
光通过旋光物质后，初相 要滞后
(a)
(b)
E 同一时刻
E
EL ER
R L
ER
EL
d
(a)
(b)
设入射时L、R初相为0，旋光物质长d
nR nL ( 即L R )
在出射面上:
R


nRd

2

0
R L
L

来自百度文库nLd

2

0
由图示，有：


1 2
[
R
L ] L
II
I

4
P2
有消失 无消失
b. 四分之一波片的光轴方向
必须与第一步 I 片产生强度 极大或极小透振方向重合。
I

P2
4
有消失
II 无消失
结论
圆偏振光 自然光 椭圆偏振光 部分偏振光
§20.6 偏振光的干涉
一. 偏振光干涉装置
偏振片P1 单色 自然光
晶片C
偏振片P2
偏振化方向
d
光轴方向 偏振化方向

1[
2
R
L]

1[
2
R


L
]


(nR

nL
)
d
令
a (nR nL )
—— 旋光率
则 ad
三. 量糖术 对溶液有 a c d a c a ── 溶液的旋光率
c ── 溶液的浓度
a ── 溶液的比旋光率 “量糖计”
四. 磁致旋光
x2 y2 2
xy
cos sin2
A12 A22
A1 A2
椭圆偏振光: 当Ax Ay、 k时，
或当
Ax

Ay、
k 和( 2k 1) π 时，
2
合成椭圆偏振光.
圆偏振光: 当Ax Ay、 (2k 1)时，
合成光振动矢量末端轨迹是圆。
§20.2 偏振片，马吕斯定律
光轴
························vot
光轴 vot vet
光轴
························votc
光轴 vot
o光: e光:
n0 0 o no ,
e

ne

c
e
n0 ，ne称为晶体的主折射率
光轴
正晶体 : ne> no
vet
(e< o) vot 负晶体 : ne<
·
起偏振角
空气 → 玻璃 玻璃 → 空气
i0

tg 1
1.50 1.00

5618
i0

tg 1
1.00 1.50

3342
互余
二. 玻璃片堆起偏和检偏
1. 起偏 当i =i0时
I I0

1 2
sin2
(
i0
r0 )
自然光从空气→玻璃
I 7%
······i0 ························