第第 三三 节节偏偏 振振 光光 的的 干涉干涉波片波片1 1. 偏振光干涉实验偏振光干涉实验(1). 实验装置实验装置偏振片偏振片1偏振片偏振片2(2). 实验现象实验现象单色光入射，波片厚度均匀，屏上光强均匀分布。单色光入射，波片厚度均匀，屏上光强均匀分布。波片厚度不均匀时，出现干涉条纹。波片厚度不均匀时，出现干涉条纹。屏屏屏屏屏屏白光入射，屏上出现彩色，白光入射，屏上出现彩色，转动偏振片或波片，色彩变化。转动偏振片或波片，色彩变化。2 2. 偏振光干涉的分析偏振光干涉的分析(1). 光线通过波片的传播情况光线通过波片的传播情况do 光和光和e 光传播方向相同，光传播方向相同，但速度不同。但速度不同。o 光和光和e 光通过波片后产光通过波片后产生的相位差为：生的相位差为：no o 光主折射率光主折射率ne e 光主折射率光主折射率(2). 光强分析光强分析o 光和光和e 光经过偏振片光经过偏振片2 后，振动方向平行，振动频率相同，后，振动方向平行，振动频率相同，相位差恒定，满足干涉条件。相位差恒定，满足干涉条件。式中式中 为投影引入的为投影引入的附加相位附加相位 干涉相长干涉相长 干涉相消干涉相消讨论讨论(1) 波片厚度相同时，各处相位差相同，单色光波片厚度相同时，各处相位差相同，单色光 照射时屏照射时屏上上光强均匀分布。光强均匀分布。合振动强度为：合振动强度为：(3) 白光照射时，屏上由于某种颜色干涉相消白光照射时，屏上由于某种颜色干涉相消, , 而呈现它的而呈现它的互补色，这叫互补色，这叫( ( 显显) ) 色偏振色偏振。 (2) 波片厚度不均匀时，各处相位差不同，单色光入射出现波片厚度不均匀时，各处相位差不同，单色光入射出现等厚干涉条纹。等厚干涉条纹。 偏振片偏振片1偏振片偏振片2屏屏白光白光(4) 旋转偏振片，使两偏振片偏振化方向平行，旋转偏振片，使两偏振片偏振化方向平行， 相位差产生相位差产生 的变化，屏上颜色发生变化。的变化，屏上颜色发生变化。5) ) 线偏振光通过波晶片后的偏振状态线偏振光通过波晶片后的偏振状态 两个同频率的两个同频率的 振动方向垂直的振动方向垂直的 有确定相位差的有确定相位差的 S. H. V. 的合成的合成一般一般合成光矢量端点的轨迹是椭圆合成光矢量端点的轨迹是椭圆但但 每时刻每时刻都是都是线偏振光线偏振光所以所以 称为称为椭圆偏振光椭圆偏振光光轴光轴7 特殊特殊1若晶片厚度合适若晶片厚度合适 使使 o 光光 e 光的光程差为光的光程差为 /4波长波长相位差是相位差是正椭圆偏振光正椭圆偏振光圆偏振光圆偏振光如果再让如果再让该波晶片叫四分之一波片该波晶片叫四分之一波片8特殊特殊2若晶片厚度合适若晶片厚度合适 使使 o 光光e 光的光程差为光的光程差为 /2波长波长称该波晶片为二分之一波片称该波晶片为二分之一波片( (或称半波片或称半波片) )经二分之一波片后经二分之一波片后 o光光e 光相位差为光相位差为 合成为合成为线偏振光线偏振光相位差是相位差是9线线偏偏振振在在 /2片前片前过过 /2片后片后仍是线偏振仍是线偏振旋转了旋转了 2 角角 /2片片注意注意: /2波片波片 /4 波片波片 必须指明波长必须指明波长1 3象限的振动象限的振动2 4象限的振动象限的振动10 6 ) ) 推论推论 由上述分析知由上述分析知 圆圆和和椭圆偏振光椭圆偏振光可看成是两束可看成是两束 频率相同频率相同传播方向一致传播方向一致 振动方向相互垂直振动方向相互垂直相位差为某个确定值的相位差为某个确定值的线偏振光线偏振光的合成的合成 同样同样 线偏振光线偏振光可看成是两束可看成是两束 频率相同频率相同 相位相同相位相同 振幅相同振幅相同 传播方向亦相同的传播方向亦相同的左左 右旋右旋 圆偏振光圆偏振光的合成的合成石英劈尖的偏振光干涉（等厚条纹）石英劈尖的偏振光干涉（等厚条纹）硫代硫酸钠晶片的色偏振图片硫代硫酸钠晶片的色偏振图片色偏振是检验材料有无双折射效应的灵敏方法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用显微镜观察各种材料在白光下的色偏振可以分析物质内部的某些结构可以分析物质内部的某些结构偏光显微术偏光显微术利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程利用偏振光干涉看到的结冰过程演示演示完完人为地造成各向异性人为地造成各向异性 而产生双折射而产生双折射1 1、应力双折射、应力双折射( (光弹效应光弹效应) )应力应力各向异性各向异性在一定应力范围内：在一定应力范围内：P1P2 dFSF干涉干涉有机玻璃有机玻璃C v 各向不同各向不同 n各向不同各向不同五人工双折射五人工双折射各处各处 不同不同各处各处 不同不同出现干涉条纹出现干涉条纹 变变 变变干干涉涉情情况况变变模模型型的的光光弹弹图图象象钓钓钩钩的的光光弹弹图图象象演演示示F偏振片偏振片1偏振片偏振片2屏屏o 光和光和e 的相位差：的相位差：(1) 各处各处 p 不同不同不同不同出现干涉条纹出现干涉条纹(2) 应力分布越集中的地方条纹越细密应力分布越集中的地方条纹越细密FFF白光白光说明说明( c 是与材料有关的常数是与材料有关的常数，p 为样品材料中的应力为样品材料中的应力)2 2、电致双折射、电致双折射( (电光效应电光效应) )（1）.克尔效应克尔效应(二次电光效应二次电光效应) 45 P2盒内充某种液体盒内充某种液体 如硝基苯（如硝基苯（C6H5NO2）l+-克尔盒克尔盒dP145 不加电场不加电场液体各向同性液体各向同性P2不透光不透光 加电场加电场液体呈单轴晶体性质液体呈单轴晶体性质光轴平行电场强度方向光轴平行电场强度方向 P2透光透光由于折射率改变与电场强度是平方关系由于折射率改变与电场强度是平方关系故克尔效应也叫故克尔效应也叫二次电光效应二次电光效应k 克克尔尔常常数数 UU电压电压相位差为相位差为：此时对应的电压此时对应的电压U U 叫半波电压叫半波电压 P P2 2透光最强透光最强克尔盒相当于半波片克尔盒相当于半波片折射率改变与电场强度的关系是折射率改变与电场强度的关系是: :当当（2）. .泡克尔斯效应泡克尔斯效应( (一次电光效应一次电光效应) )。电光晶体电光晶体+。-P1P2KK 泡克尔斯盒泡克尔斯盒 不加电场不加电场 P2 不透光不透光 加电场加电场晶体变双轴晶体晶体变双轴晶体原光轴方向附加了双折射效应原光轴方向附加了双折射效应P2 透光透光电场与光传播方向平行电场与光传播方向平行透明电极透明电极K和和K光沿光轴方向传播光沿光轴方向传播单轴晶体单轴晶体no o光在晶体中的折射率光在晶体中的折射率相位差：相位差：r 电光常数电光常数 时时 P2 透光最强透光最强 常用的电光晶体是常用的电光晶体是 KH2PO4（KDP） NH4H2PO4（ADP）等等U 电压电压激光调激光调Q 超高速开关（响应时间小于超高速开关（响应时间小于10-9s）数据处理数据处理显示技术显示技术应用应用：4 4、磁致双折射、磁致双折射科顿科顿穆顿效应：穆顿效应：某些透明液体在磁场某些透明液体在磁场H作用下变为各向异性作用下变为各向异性HC二次效应二次效应磁场很强磁场很强 才能观察到才能观察到性质类似于单轴晶体性质类似于单轴晶体 光轴平行磁场光轴平行磁场1 1、物质的旋光性、物质的旋光性1811年年 法国物理学家法国物理学家阿喇果阿喇果发现发现线偏振光沿光轴方向通过石英晶体时线偏振光沿光轴方向通过石英晶体时其振动面发生旋转其振动面发生旋转 称为称为旋光现象旋光现象 旋光物质旋光物质 l光轴光轴氯酸钠、乳酸、松节油、糖的氯酸钠、乳酸、松节油、糖的水溶液等也都具有旋光性水溶液等也都具有旋光性六六 旋光效应简介旋光效应简介2 2. 旋光效应旋光效应实验实验（1）. 实验装置实验装置偏振片偏振片1偏振片偏振片2（2）. 实验结实验结果果从石英晶片出射的是偏振从石英晶片出射的是偏振光，振动面旋转了一个角度。光，振动面旋转了一个角度。石石英晶片具有旋光性。英晶片具有旋光性。有两类旋光物质，即左旋光物质和右旋光物质。有两类旋光物质，即左旋光物质和右旋光物质。屏屏石英晶片石英晶片天然旋光物质中，光的振动面旋转的角度天然旋光物质中，光的振动面旋转的角度 与光经过旋与光经过旋光物质的厚度光物质的厚度 成正比成正比对于有旋光性的溶液，旋转的角度还与溶液的浓度对于有旋光性的溶液，旋转的角度还与溶液的浓度 成正比成正比其中旋光率，与旋光物其中旋光率，与旋光物质的性的性质、温度及入射光波、温度及入射光波长有关。有关。 a 旋光率旋光率旋光率旋光率 a 与旋光物质和入射波长有关与旋光物质和入射波长有关 旋光物质旋光物质 l光轴光轴物质的物质的旋光性旋光性和物质原子排列和物质原子排列结构结构有关有关同一种物质可以有同一种物质可以有左旋体左旋体和和右旋体右旋体它们的原子排列互为它们的原子排列互为镜像对称镜像对称 称为称为同分异构体同分异构体3 3、菲涅耳对旋光性的解释、菲涅耳对旋光性的解释 基本认识基本认识: : 线偏振光可看作是线偏振光可看作是 同频率同频率 等振幅等振幅 有确定有确定相位差的左相位差的左( (L ) )、右、右( (R ) )旋圆偏振光的合成旋圆偏振光的合成EELERO 光通过旋光物质后光通过旋光物质后相位会滞后相位会滞后在出射面上在出射面上：设入射时设入射时L、R 初相为初相为0 0ELERE入射面入射面(a)旋光物质长为旋光物质长为l l出射面出射面(b)ELERE R L 同一时刻同一时刻光通过光通过左旋左旋物质物质L和和R电矢量合成的线偏振光向左偏离电矢量合成的线偏振光向左偏离初始状态初始状态 此物质为左旋体此物质为左旋体由图示由图示：令令 旋旋 光光率率(a)(b) l出射面出射面(b)ELERE R L ELERE入射面入射面(a)与与 nR nL 有关有关4、 量糖术量糖术“量糖计量糖计”可分析旋光（同分）异构体的成分可分析旋光（同分）异构体的成分例如：例如：广泛用在化学和制药等工业中广泛用在化学和制药等工业中氯霉素天然品为左旋氯霉素天然品为左旋 合成品为左右旋各半合成品为左右旋各半称合霉素称合霉素 其中只有左旋有疗效其中只有左旋有疗效分离出左旋品（左霉素）分离出左旋品（左霉素）疗效同天然品疗效同天然品用量糖术可用量糖术可对旋光溶液有对旋光溶液有C 溶液的浓度溶液的浓度 a C = a 溶液的旋光率溶液的旋光率 = a C l a 溶液的比旋光率溶液的比旋光率5、磁致旋光、磁致旋光 l磁致旋光物质磁致旋光物质B旋转的角度旋转的角度 V 费德尔常量费德尔常量水水 二硫化碳二硫化碳食盐食盐 乙醇乙醇都是磁致旋光都是磁致旋光物质物质 对对自然自然旋光物质旋光物质 振动面的左旋或右旋振动面的左旋或右旋 是由旋光是由旋光物质本身物质本身决定的决定的 与与光的传播方向无关光的传播方向无关 对对磁致磁致旋光物质旋光物质 振动面的左旋或右旋振动面的左旋或右旋 与光的传播方向与光的传播方向是是沿沿磁感强度方向磁感强度方向 还是还是 逆逆着磁感强度方向着磁感强度方向有关有关 光光沿沿着磁感强度方向与着磁感强度方向与逆逆着着 振动面旋向相反振动面旋向相反 对对自然自然旋光物质旋光物质 振动面的左旋或右旋振动面的左旋或右旋 是由旋光是由旋光物质本身物质本身决定的决定的 与与光的传播方向无关光的传播方向无关 反射镜反射镜入射光入射光 左旋左旋反射镜反射镜反射光反射光 左旋左旋自然旋光物质自然旋光物质自然旋光物质自然旋光物质 对磁致旋光物质对磁致旋光物质反射镜反射镜反射光反射光 右旋右旋 B反射镜反射镜入射光入射光 左旋左旋B磁性旋光物质磁性旋光物质利用上述性质可做出光隔离器利用上述性质可做出光隔离器光隔离器：光隔离器：应用：应用：研究物质结构研究物质结构测电流和磁场测电流和磁场磁光调制磁光调制 BPM 磁致旋光物质磁致旋光物质这样可以消除反射光的干扰这样可以消除反射光的干扰令令 = 45 则则 2 = 90 反射光通不过反射光通不过P