物理第四册第五章

物理第四册第五章1第一页，共七十二页，编辑于2023年，星期三§5.1光的偏振状态§5.2线偏振光的获得与检验§5.3反射和折射光的偏振，*散射光的偏振§5.4双折射现象§5.5椭圆偏振光和圆偏振光§5.6偏振光的干涉§5.7人工双折射§5.8旋光现象本章目录2第二页，共七十二页，编辑于2023年，星期三§5.1光的偏振状态一.完全偏振光E播传方向振动面·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：EEyEx

yx1.线偏振光（linearlypolarizedlight）表示法：·····光振动垂直板面光振动平行板面3第三页，共七十二页，编辑于2023年，星期三右旋圆偏振光

0

y

yx

z传播方向

/2x某时刻右旋圆偏振光E随z的变化E2.圆偏振光（circularlypolarizedlight）和线、圆和椭圆偏振光均称为完全偏振光。椭圆偏振光（ellipticallypolarizedlight）右旋椭圆偏振光4第四页，共七十二页，编辑于2023年，星期三为某个确定值的线偏振光的合成。右旋圆偏振光的合成。圆和椭圆偏振光可看成是两束频率相同、传播方向一致、振动方向相互垂直、相位差反之，线偏振光则可以看成是两束频率相同、相位相同、振幅相同、传播方向亦相同的左、相位差/2或3/2x

y

yx·x，y振幅相同，相位差不等于0，和2/2，，3/25第五页，共七十二页，编辑于2023年，星期三二.自然光（naturallight）垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。自然光的表示法：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···非相干6第六页，共七十二页，编辑于2023年，星期三三.部分偏振光表示法：自然光和完全偏振光的混合，就构成了部分最常讨论的部分偏振光可看成是自然光和线偏振光的混合，偏振光。分解非相干平行板面的光振动较强········垂直板面的光振动较强反射光就是这种部分偏振光，天空的散射光和水面的它可以分解如下：7第七页，共七十二页，编辑于2023年，星期三四.偏振度（degreeofpolarization）

Ip—部分偏振光中包含的完全偏振光的强度It—部分偏振光的总强度In—部分偏振光中包含的自然光的强度完全偏振光（线、圆、椭圆）

P=1自然光（非偏振光）

P=0部分偏振光

0<P<1偏振度：8第八页，共七十二页，编辑于2023年，星期三§5.2线偏振光的获得与检验一.起偏

▲起偏的原理：利用某种光学的不对称性

▲偏振片（Polaroid）P（获得线偏振光）：微晶型：分子型：x

yzz线栅起偏器入射电磁波

▲起偏器（polarizer）：起偏的光学器件·非偏振光线偏振光光轴电气石晶片··——从自然光获得偏振光9第九页，共七十二页，编辑于2023年，星期三非偏振光I0线偏振光IP偏振化方向（通光方向）二.马吕斯定律（Maluslaw）I0IPPE0E=E0cos

▲线偏振光马吕斯定律（1809）—消光···的起偏：10第十页，共七十二页，编辑于2023年，星期三三.线偏振光的检偏检偏：用偏振器件检验光的偏振态I?P待检光

若I不变？是什么光

若I变，有消光？是什么光

若I变，无消光？是什么光然光混合而成的部分偏振光思考设入射光可能是自然光线偏振光或由线偏振光与自或旋转演示线偏振光的起偏和检偏（KG017）11第十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期三四.偏振片的应用偏振片的应用很多，例如：▲作为照相机的滤光镜，可以滤掉不必要的反射光。▲制成偏光眼镜，可观看立体电影。▲若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上与▲作为许多光学仪器中的起偏和检偏装置。可以避免汽车会车时灯光的晃眼。地面成45角、且向同一方向倾斜的偏振片，12第十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期三§5.3反射和折射光的偏振*散射光的偏振一.反射和折射时光的偏振·······n1n2iir·自然光反射和折射后成为部分偏振光·S分量P分量反射光垂直入射面的分量（S）比例大，折射光平行入射面的分量（P）比例大，入射角i变反射、折射光的偏振度也变。13第十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期三i=i0

时，反射光只有S分量：i0

—布儒斯特角（Brewsterangle）或

起偏角i0

+r0=90

由

有—布儒斯特定律（1812年）·····n1n2i0i0r0线偏振光··S··反射光情况如何?思考这时自然光沿折射线反向入射产生的（BrewsterLaw）14第十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期三思考如何测量不透明介质的折射率？▲外腔式激光管加装布儒斯特窗减少反射损失。则：若n1

=1.00（空气），n2=1.50（玻璃），·i0···········i0i0·激光输出布儒斯特窗M1M2·i015第十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期三有反射光干扰的橱窗在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰16第十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期三

pI()电偶极子辐射强度角分布布儒斯特角的存在，可以用振荡电偶极子的电磁辐射强度分布的特点来解释。光入射到介质就激励介质分子中的电子做受迫振动。这可视之为振动的电偶极子，（子波）。就看不到P分量振动的辐射光了。它们向周围辐射电磁波这些子波的叠加就形成了反射光和折射光。而沿偶极子振动方向的辐射强度为零。和反射线相垂直时（此时入射角为i0），在反射方向·····n1n2i0i0r0线偏振光··S··P故当折射线17第十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期三二.玻璃片堆起偏和检偏

1.起偏i=i0时：自然光从空气→玻璃：由光的电磁理论，演示玻璃片堆起偏（KG019）（太弱）用玻璃片堆能增强反射偏振光的强度················i0接近线偏振光··············玻璃片堆线偏振光18第十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期三

▲若反射光光强不变

入射光是自然光；

▲若反射光光强变且有消光

入射光是线偏振光；

▲若反射光光强变且无消光

入射光是部分偏振光。让待检验的光以布儒斯特角i0入射到界面上，保持i=i0不变，以入射线为轴旋转界面：2.检偏（不包括圆和椭圆偏振光）19第十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期三*三.散射光的偏振1.散射光的产生振荡电偶极子电磁辐射强度的角分布I()就形成了各方向都有的散射光。在入射光的激励下，媒质分子中的电子做受迫振动。这可视之为振动的电偶极子，围辐射电磁波（子波）。由于媒质不均匀等原因，破坏了子波波源间的确定相位关系，它们发的子波的非相干叠加，演示白光的散射（KG035）它向周

p20第二十页，共七十二页，编辑于2023年，星期三2.散射光的偏振zxP

y入射自然光B散射光为部分偏振光散射光为线偏振光散射光为自然光天空大气散射的日光就是部分偏振光。P处发出的不同方向的偶极辐射有不同的偏振情况。例如沿B→P方向观察到的只是部分偏振光，其偏振度随角而变。21第二十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期三

▲蜜蜂和某些鸟可辨别出大气散射光的偏振，光又能透过了。（KG017+蜡纸）▲多次散射可以把个别散射方向的不对称抵消，从而用来确定方向。从而可消除偏振。演示光透不过两个互相垂直的偏振片，但在其间夹一蜡纸（形成多次散射），22第二十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期三i一.双折射的概念1.双折射：n1n2rore(各向异性介质)自然光o光e光2.寻常（o）光和非寻常（e）光o光：遵从折射定律e光：一般不遵从折射定律e光折射线也不一定在入射面内。射到各向异性介质时，§5.4双折射（birefringence）现象一束光入折射光分成两束的现象。23第二十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期三···方解石oeeo···演示以入射方向为轴旋转方解石方解石偏振片双折射的两束光振动方向相互垂直方解石的双折射（KG029，KG025）24第二十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期三象折射现双折射现方解石晶体CaCO3纸面双折射会映射出双像：25第二十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期三当方解石晶体旋转时，e光的像围绕o光的像旋转。o光的像不动，光光双折射纸面方解石晶体

o光的像e光的像26第二十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期三光光双折射纸面方解石晶体继续旋转方解石晶体：27第二十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期三光光双折射纸面方解石晶体继续旋转方解石晶体：28第二十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期三光光双折射纸面方解石晶体继续旋转方解石晶体：29第二十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期三光光双折射纸面方解石晶体继续旋转方解石晶体：30第三十页，共七十二页，编辑于2023年，星期三3.晶体的光轴（opticalaxisofcrystal）当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发例如，方解石晶体（冰洲石）

光轴是一个特殊的方向，单轴晶体：只有一个光轴的晶体，如方解石。双轴晶体：有两个光轴的晶体，如云毋。由钝隅引出的与三个棱边成等光轴AB102°78°该方向称为晶体的光轴。生双折射，于此方向的直线均为光轴。凡平行角的方向就是光轴。31第三十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期三4.主平面（principalplane）晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面o光光轴o光的主平面····e光光轴e光的主平面叫该束光的主平面。32第三十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期三CaCO3CaOC晶体的各向异性：介电常数为x

,yx=y

z,z光轴介电常数为z光矢量垂直于光轴时，光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同，介电常数就不同，光的传播速度也就不同。二.晶体的主折射率，正晶体、负晶体光矢量平行于光轴时，33第三十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期三o光：

no，ne称为晶体的主折射率正晶体：ne>no负晶体：ne<novotvet光轴点波源点波源votvet光轴e光：(ve<vo)(ve>vo)如：石英、冰如：方解石、红宝石························vot光轴光轴vetvot34第三十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期三

ee三.单轴晶体中光传播的惠更斯作图法1.光轴平行晶体表面，自然光垂直入射··光轴晶体··

o、

e方向上虽没分开，下面以负晶体(ve

>vo)为例，介绍该方法：oo但速度上是分开的，这仍是双折射。····以惠更斯原理为依据的惠更斯作图法，是研究光在晶体中传播的重要方法。35第三十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期三oe2.光轴平行晶体表面，且垂直入射面，····晶体光轴rei········voΔtveΔtoecΔt自然光斜入射在这种特殊的情况下，对e光也可以用折射定律。r036第三十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期三3.光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射····

e方解石光轴··o此时e光的波面不再与其波射线垂直了。ooee······晶体光轴····这正是前面演示的情形。注意：37第三十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期三§5.5椭圆偏振光和圆偏振光一.晶体起偏器件

1.晶体的二向色性、晶体偏振器某些晶体对o光和e光的吸收有很大差异，例如，电气石对o光有强烈吸收，····光轴e光电气石光轴对e光吸收很弱，用它就可以产生线偏振光。这叫晶体的二向色性（dichroism）。38第三十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期三2.偏振棱镜▲偏光棱镜：光轴的取向使e光对应的恰是

ne

。no（1.6584）＞n（1.55）＞ne（1.4864）i>临界角，o光全反射了，e光可通过。偏振棱镜可由自然光获得高质量的线偏振光，可由自然光获得原方向的线偏振光如：············光轴光轴方解石方解石加拿大树胶

(n=1.55)oe吸收涂层i格兰—汤姆孙棱镜它又可分为偏光棱镜和偏光分束棱镜。39第三十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期三▲偏光分束棱镜：可由自然光获得分开的两束线偏振光。e·····12方解石方解石····oe光轴光轴沃拉斯顿棱镜o如：光进入到第1块方解石后，o光和e光在方向上没有分开，由于方解石2和方解石1二者光轴垂直，当光进入到方解石2时，o光变成e光，e光变成o光，于是两光束在界面处发生折射而分开。40第四十页，共七十二页，编辑于2023年，星期三二.晶体相移器件，圆和椭圆偏振光的起偏1.晶片

—相位延迟片晶片是光轴平行表面的晶体薄片。ydxAAoAe线偏振光光轴AAoAe光轴P

振幅关系：椭圆偏振光d光轴晶片从晶片出射的两束光由于出现相位差，而合成为一束椭圆偏振光。41第四十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期三

通过厚为d的晶片，o、e光产生相位差为：则出射光为圆偏振光。若且ydxAAoAe线偏振光光轴椭圆偏振光d光轴晶片或圆偏振光42第四十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期三

2.波（晶）片

（1）四分之一波片（quarter-waveplate）——线偏振光→圆偏振光——线偏振光→线偏振光可从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）（是对某个确定波长而言的）波片厚度满足——线偏振光→椭圆偏振光43第四十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期三（2）二分之一波片可使线偏振光振动面转过2角度Ao入Ao出A入A出Ae入=Ae出光轴（3）全波片三.椭圆与圆偏振光的检偏用四分之一波片和偏振片可区分出自然光和或部分偏振光和椭圆偏振光。圆偏振光，44第四十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期三四分之一波片圆偏振光自然光自然光线偏振光偏振片（转动）线偏振光

I不变线偏振光I变，有消光以入射光方向为轴四分之一波片椭圆偏振光部分偏振光线偏振光偏振片（转动）线偏振光I变，有消光部分偏振光光轴平行最大光强或最小光强方向放置线偏振光I变,无消光或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置45第四十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期三▲如何区分由自然光和椭圆偏振光组成的部分偏振光与由自然光和线偏振光组成的部分偏振光？思考▲如何区分由自然光和圆偏振光组成的部分偏振光与自然光？演示四分之一波片（KG031）二分之一波片（KG030）46第四十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期三§5.6偏振光的干涉一.偏振光干涉装置偏振化方向偏振片P2单色自然光偏振片P1偏振化方向d晶片C光轴方向二.偏振光干涉的分析1.振幅关系AoA2oP2P1CA1AeA2e在P2

后：相干在P1

后：屏47第四十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期三通过晶体C后：此两束光合成为一束椭圆偏振光。再通过P2

后：2.相位关系—相长干涉——

相消干涉若单色光入射，则屏上为等厚条纹。且d不均匀，（若P1、P2夹角小于，则无附加相位差）48第四十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期三石英劈尖的偏振光干涉（等厚条纹）49第四十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期三于某种颜色干涉相消，而呈现它的互补色，三.色偏振（chromaticpolarization）若白光入射，且晶片d均匀，若d不均匀，则屏上出现彩色条纹。红色（656.2nm）相消如：蓝色（485.4nm）相消玻璃纸厚度不同的色偏振（KG033）色偏振是检验材料有无双折射效应的灵敏方法，用显微镜观察各种材料在白光下的色偏振，分析物质内部的某些结构—

偏光显微术。则：屏上由这叫（显）色偏振。→绿色（492.1nm）；→黄色（585.3nm）。演示可以50第五十页，共七十二页，编辑于2023年，星期三硫代硫酸钠晶片的色偏振图片51第五十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期三§5.7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（photoelasticeffect）应力→各向异性在一定应力范围内：光弹效应也叫应力双折射效应。→v各向不同→n各向不同FFP1P2··dS干涉有机玻璃C52第五十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期三各处不同→各处不同→出现干涉条纹，演示模型的光弹图象吊钩的光弹图象变→变→干涉情况变。（KG032）应力双折射53第五十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期三二.电光效应（electroopticeffect）电光效应也叫电致双折射效应。1.克尔效应（kerreffect）

（1875年）45P2盒内充某种液体，如硝基苯（C6H5NO2）l+-克尔盒dP145

▲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，光轴平行电场强度P2透光。54第五十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期三

——

二次电光效应k

—克尔常数，U—电压克尔效应引起的相位差为：则产生硝基苯，若l

=

3cm，d=0.8cm，对=600nm的黄光，时，克尔盒相当半波片，P2透光最强。。时的电压k=55第五十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期三可作为光开关（响应时间109s），克尔盒的应用：克尔盒的缺点：和加数万伏的高电压，用于高速摄影、激光通讯、光速测距、脉冲激光系统（作为Q开关）硝基苯有毒，需要极高的纯度故现在很少用。易爆炸，56第五十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期三2.泡克尔斯效应（pockelseffect）

（1893年）。电光晶体+。-P1P2KK泡克尔斯盒··光传播方向与电场平行，电极K和K′透明，晶体是单轴晶体，

▲不加电场→P2

不透光。

▲加电场→晶体变双轴晶体了双折射效应→原光轴方向附加→

P2

透光。光轴沿光传播方向。57第五十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期三no—o光在晶体中的折射率；泡克尔斯效应引起的相位差：

——线性电光效应r

—电光常数；时，P2透光最强。

KH2PO4（KDP）、NH4H2PO4（ADP）等对=546nm的绿光，如KDP

no=1.51，U

—电压。激光调Q，超高速开关（响应时间小于109s），数据处理…显示技术，应用：单晶都具有线性电光效应。58第五十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期三后空翻动作高速摄影图片：击高尔夫球的动作59第五十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期三牛奶滴向盘中的牛奶60第六十页，共七十二页，编辑于2023年，星期三子弹射穿苹果的瞬间61第六十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期三三.磁致双折射科顿—穆顿（Cotton-Mouton）效应：某些透明液体在磁场H作用下变为各向异性，HC——

二次效应需要很强的磁场才能观察到。性质类似于单轴晶体，光轴平行磁场。62第六十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期三§5.8旋光现象一.物质的旋光性（opticalactivity）除石英外，氯酸钠、乳酸、松节油、糖的

旋光物质

a—旋光率

l1811年，法国物理学家阿喇果（Arago）其振动面能发生旋转，发现，线偏振光沿光轴方向通过石英晶体时，这称为旋光现象。光轴水溶液等也都具有旋光性。演示石英晶体的旋光现象（KG026）63第六十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期三二.菲涅耳对旋光性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。实验表明，旋光率a与旋光物质和入射波长有关，对于溶液，还和旋光物质的浓度有关。石英对=589nm的黄光，a=21.75/mm；而对=408nm的紫光，a=48.9/mm。同一种物质也可以有左旋体和右旋体，物质的旋光性是和物质原子排列结构有关的，原子排列互为镜像对称，它们的称为同分异构体。64第六十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期三光通过旋光物质后，初相位EELER·O在出射面上：设入射时L、R初相为0，旋光物质长为l，同一时刻光通过左旋物质显然此物质