16.1 自然光和偏振光自然光和偏振光 在垂直于传播方向平面内，光矢量的在垂直于传播方向平面内，光矢量的振动状态（端点轨迹），称为光的振动状态（端点轨迹），称为光的偏振态偏振态;振动方向与传播方向构成平面，称为振动方向与传播方向构成平面，称为振动振动面。面。E播播传传方方向向振振动动面面一、偏振光（一、偏振光（polarized light) ) 光矢量端点轨迹随时间变化轨迹是确定光矢量端点轨迹随时间变化轨迹是确定的的，称为称为偏振光。偏振光。1. 线偏振光线偏振光（linearly polarized light）光矢量只沿一个固定方向振动，这种光矢量只沿一个固定方向振动，这种光光称为称为线偏振光线偏振光，也称为，也称为平面偏振光。平面偏振光。面对光的传播方向看面对光的传播方向看线偏振光可沿两个相线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解互垂直的方向分解EEyEx yx 表示法：表示法： 光振动垂直板面光振动垂直板面光振动平行板面光振动平行板面圆偏圆偏振光振光椭圆椭圆偏振光偏振光 0 y yx z传播方向传播方向 /2x某时刻圆偏振光某时刻圆偏振光 E随随 z 的变化的变化E2.2.圆偏振光圆偏振光（circularly polarized light）椭圆偏振光椭圆偏振光（ellipticly polarized light）为某个确定值的为某个确定值的线偏振光的合成。线偏振光的合成。右旋圆偏振光的合成右旋圆偏振光的合成。圆圆和和椭圆偏振光椭圆偏振光可看成是两束频率相同、可看成是两束频率相同、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、相位差相位差线偏振光线偏振光则可以看成是两束频率相同、则可以看成是两束频率相同、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、相位差相位差 /2或或3 /2x y yx x，y振幅相同，振幅相同，相位差不等于相位差不等于 0，和和 2 /2， ， 3 /2二、二、 自然光自然光（natural light）垂直的、等幅的、垂直的、等幅的、不相干不相干的线偏振光。的线偏振光。没有优势方向没有优势方向一束自然光可分解为两束振动方向相互一束自然光可分解为两束振动方向相互 光矢量光矢量 取向是杂乱无章的、对于光取向是杂乱无章的、对于光的传播方向是对称分布的的传播方向是对称分布的, , 称为称为自然光自然光。表示法：表示法：自然光的分解自然光的分解非相干非相干三、部分偏振光三、部分偏振光表示法：表示法：部分偏振光可看成部分偏振光可看成自然光和线偏振光混合自然光和线偏振光混合分解分解非相干非相干平平行行板板面面的的光振动较强光振动较强 垂垂直直板板面面的的光振动较强光振动较强部分偏振光可以分解如下：部分偏振光可以分解如下： 光矢量沿某一方向振动比其它方向占光矢量沿某一方向振动比其它方向占优势，称为优势，称为部分偏振光部分偏振光。16.2 偏振片起偏与检偏偏振片起偏与检偏 马吕斯定律马吕斯定律一、偏振片（一、偏振片（ Polaroid）原理原理：利用利用“二向色性二向色性”晶体制成。晶体制成。允许通过光振允许通过光振动的方向称为动的方向称为偏振偏振化方向化方向，即，即透光轴透光轴。 线偏振光的起偏线偏振光的起偏：自然光自然光入射时入射时非偏振光非偏振光I0线偏振光线偏振光 IP 偏振化方向偏振化方向 （通光方向）（通光方向） 二、马吕斯定律二、马吕斯定律（Malus law）偏振光偏振光Io自然光自然光偏振光偏振光IP(N)P(M)M:起偏器起偏器N:检偏器检偏器Io 与与 I 关系关系：马吕斯定律马吕斯定律透射光最大透射光最大透射光为零透射光为零A A0 0 sinsin MMo oN N A A0 0A A0 0 coscos 三、线偏振光的检偏三、线偏振光的检偏I?P待检光待检光若若 I 不变不变若若 I 变变有消光有消光若若 I 变变无消光无消光或由线偏振光与自或由线偏振光与自然光混合而成的然光混合而成的部部设入射光可能是设入射光可能是旋转旋转自然光自然光或或线偏振光线偏振光分偏振光分偏振光线偏线偏自然自然部分部分四、偏振片的应用四、偏振片的应用作为照相机的滤光镜，可以滤掉不必作为照相机的滤光镜，可以滤掉不必 要的反射光。要的反射光。制成偏光眼镜，可观看立体电影。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若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装装 上上偏振片，可以避免汽车会车时灯光偏振片，可以避免汽车会车时灯光的晃眼的晃眼。作为许多光学仪器中的起偏和检偏装作为许多光学仪器中的起偏和检偏装 置。置。与地面成与地面成4545 角、且向同一方向倾斜角、且向同一方向倾斜怎样装怎样装?立体立体电影影16.3 反射、折射偏振反射、折射偏振 布儒斯特定律布儒斯特定律一、反射起偏一、反射起偏 布儒斯特定律布儒斯特定律22当取某一入射角当取某一入射角 i0 时，反射光是光振动时，反射光是光振动垂直于入射面的线偏振光，折射光为部分垂直于入射面的线偏振光，折射光为部分偏振光。偏振光。 i0 称为称为布儒斯特角布儒斯特角（起偏角）。（起偏角）。反射光反射光垂直入射面分量垂直入射面分量( (S) )比例大比例大折射光折射光平行入射面分量平行入射面分量( (P) )比例大比例大11自然光反射和折射后自然光反射和折射后成为部分偏振光成为部分偏振光, 偏振偏振化程度与入射角有关。化程度与入射角有关。n1n2i irS 分量分量P 分量分量i i0 0n n1 1n n2 2r布儒斯特布儒斯特定律定律此时有：此时有：i0+r = 90o二、折射起偏玻璃片堆二、折射起偏玻璃片堆利用玻璃片堆使折射光趋近与利用玻璃片堆使折射光趋近与P偏振光偏振光用玻璃片用玻璃片堆能增强堆能增强反射偏振反射偏振光的强度光的强度i0接近线偏振光接近线偏振光玻璃玻璃片堆片堆线偏振光线偏振光思考思考在在拍拍摄摄玻玻璃璃窗窗内内的的物物体体时时，如如何何去去掉掉反反射光的干扰？射光的干扰？有反射光干扰的橱窗有反射光干扰的橱窗在照相机镜头前加偏振片消在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰除了反射光的干扰一、双折射现象一、双折射现象1.1.双折射双折射in1n2rore(各向异各向异性介质性介质)自然光自然光o光光e光光2.2.寻常（寻常（o）光和非寻常（光和非寻常（e）光光o光光 ：遵从折射定律遵从折射定律e光光 ：一般不遵从折射定律一般不遵从折射定律e光折射线也光折射线也不一定不一定在入射面内在入射面内。 一束光入射到各向异一束光入射到各向异性介质时，折射光分成两性介质时，折射光分成两束的现象。束的现象。16.4 双折射双折射（birefringence）现象现象 方解石方解石oee o 演示演示以入射方向为以入射方向为轴旋转方解石轴旋转方解石方解石方解石偏偏振振片片双折射的两双折射的两束光振动方束光振动方向相互垂直向相互垂直3.3. 晶晶 体体 的的 光光 轴轴 (optical axis of crystal)光在晶体内沿某个特殊方向传播时光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发不发例如，方解石晶体（冰洲石）例如，方解石晶体（冰洲石）光轴是一个特殊的光轴是一个特殊的方向，方向，一个光轴的晶体，一个光轴的晶体，如方解石如方解石。两个光轴的晶体，两个光轴的晶体，如云毋。如云毋。 由由钝钝隅隅引引出出的的与与三三个个棱棱边边成等角的方向就是成等角的方向就是光轴。光轴。光轴光轴AB10278该该方向方向称为晶体的称为晶体的光轴。光轴。生双折射，生双折射，于此方向的直线均为光轴。于此方向的直线均为光轴。凡平行凡平行单轴晶体：单轴晶体：双轴晶体：双轴晶体：4.4.主平面主平面（principal plane）o光光光轴光轴o光的光的主平面主平面e光光光轴光轴e光的光的主平面主平面10 o光振动垂直主平面，光振动垂直主平面，e光振动在主平面光振动在主平面内。内。晶体中光的传播方向与晶体光轴晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面叫该束光的构成的平面叫该束光的主平面主平面。晶体解理面的法线与晶体光轴构成晶体解理面的法线与晶体光轴构成的平面称为晶体的主截面。的平面称为晶体的主截面。2o 通常通常o、e光主平面不重合，两者振动方光主平面不重合，两者振动方向不垂直。当入射面与主截面重合时，两向不垂直。当入射面与主截面重合时，两者主平面与主截面重合，振动方向垂直。者主平面与主截面重合，振动方向垂直。5. 折射率折射率( (refractive index) ) 光矢量垂直与光轴振动的光波折射率光矢量垂直与光轴振动的光波折射率no、平行与光轴振动的光波折射率平行与光轴振动的光波折射率ne称为晶体称为晶体的的主折射率主折射率。 单轴晶体中，单轴晶体中，o光折射率始终是光折射率始终是no；e光的折射率介于光的折射率介于no ne之间，当传播方向之间，当传播方向垂直于光轴方向时，折射率是垂直于光轴方向时，折射率是ne。二、尼科耳棱镜（二、尼科耳棱镜（Nicol prism) )制作：制作：原理：原理：全反射全反射一、偏振光干涉装置一、偏振光干涉装置二、偏振光干涉的分析二、偏振光干涉的分析AoA2oNMCAAeA2e 在在P2 后：后：在在P1 后：后：偏振化方向偏振化方向偏振片偏振片N 单色自然光单色自然光偏振片偏振片M偏振化方向偏振化方向 d晶片晶片C光轴方向光轴方向相干相干屏屏16.5 偏振光的干涉偏振光的干涉通过晶体通过晶体C后的相位差是后的相位差是再通过再通过P2 后：后：（明）（明）单色光入射，单色光入射，d不均匀，则屏上为等厚条纹。不均匀，则屏上为等厚条纹。AoA2oNMCA1AeA2e （暗）（暗）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）单色光入射，单色光入射，d不均匀，则屏上为等厚条纹。不均匀，则屏上为等厚条纹。于某种颜色干涉相消，而呈现它的于某种颜色干涉相消，而呈现它的互补色，互补色，若白光入射，且晶片若白光入射，且晶片d 均匀，均匀，则：屏上则：屏上由由若若d不均匀，则屏上出现彩色条纹。不均匀，则屏上出现彩色条纹。硫酸钠晶片的色偏振图片硫酸钠晶片的色偏振图片16.6 偏振现象应用偏振现象应用一、人工双折射一、人工双折射人为使各向同性介质转化造成各人为使各向同性介质转化造成各向异性介质，而产生双折射效应，称为向异性介质，而产生双折射效应，称为人人工双折射工双折射。1.1.光弹效应光弹效应（photoelastic effect）由于受力作用，使各向同性介质由于受力作用，使各向同性介质转化造成各向异性介质，称为转化造成各向异性介质，称为光弹效应。光弹效应。在一定应力范围内：在一定应力范围内：k是比例系数是比例系数P1P2 dFSF干涉干涉有机玻璃有机玻璃C模模型型的的光光弹弹图图象象钓钓钩钩的的图图象象光光弹弹2.2.电光效应电光效应（photoelastic effect）由于电场作用，使各向同性介质由于电场作用，使各向同性介质转化造成各向异性介质，称为转化造成各向异性介质，称为电光效应。电光效应。45 P2l+-克尔盒克尔盒dP145 克尔效应克尔效应泡克尔斯效应泡克尔斯效应应用应用：可作为可作为光开关光开关（响应时间（响应时间 10-9s），）， 用于高速摄影、用于高速摄影、激光通讯、激光通讯、光速测距等光速测距等二、旋光现象（二、旋光现象（roto-optical phenomena) )1.1.物质的旋光性物质的旋光性（optical activity） 除石英外，氯酸钠、乳酸、松节油、糖除石英外，氯酸钠、乳酸、松节油、糖的水溶液等也都具有的水溶液等也都具有旋光性。旋光性。1811年，法国物理学家年，法国物理学家阿喇果阿喇果（Arago）其其振动面能发生旋转，振动面能发生旋转，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这称为这称为旋光现象。旋光现象。 旋光物质旋光物质d光轴光轴 a 旋光率旋光率旋转的角度：旋转的角度：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，对于溶液，与浓度有关：对于溶液，与浓度有关：可以有可以有左旋体左旋体和和右旋体右旋体.物质旋光性和物质原子排列结构有关的，物质旋光性和物质原子排列结构有关的，2.2.磁致旋光磁致旋光（magnetic opticity） 一些物质在磁场作用下，也会产生旋光一些物质在磁场作用下，也会产生旋光现象，称为现象，称为磁光效应磁光效应。水、二硫化碳、水、二硫化碳、 食盐等食盐等是磁致旋光物质。是磁致旋光物质。 d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，磁致旋光效应的应用：磁致旋光效应的应用： 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1. 马吕斯马吕斯2.布儒斯特布儒斯特 3.双折射双折射 例例1.1. 两个偏振片组成结构，在它们偏振化方两个偏振片组成结构，在它们偏振化方向成向成30o角时，观测一束自然光；又在角时，观测一束自然光；又在60o角角时，观测另一束自然光。两次测得透射光强时，观测另一束自然光。两次测得透射光强度相同，求两束自然光强度。度相同，求两束自然光强度。解：解：设两束自然光强度是设两束自然光强度是I1、I2透射光强度是：透射光强度是：，则例例2.2.求：透射光强求：透射光强偏振片，透射光强为偏振片，透射光强为 ，若这两个偏振片之，若这两个偏振片之间再插入另一偏振片，它的偏振化方向与前间再插入另一偏振片，它的偏振化方向与前两个偏振片均成两个偏振片均成 角。角。使自然光通过两个偏振化方向成使自然光通过两个偏振化方向成 角角透射光强为：透射光强为：解：解：例例3.3.令其通过旋转着的偏振片，若测得出射光的令其通过旋转着的偏振片，若测得出射光的最大光强为最大光强为 ，最小光强为，最小光强为 ，则混合光中，则混合光中偏振光和自然光的强度各为多少？偏振光和自然光的强度各为多少？一束混合光包含线偏振光和自然光，一束混合光包含线偏振光和自然光，解：解：例例4 4水的折射率为水的折射率为1.33,1.33,玻璃的折射率为玻璃的折射率为11光由水中射向玻璃反射时光由水中射向玻璃反射时, ,布儒斯特角为多少布儒斯特角为多少? ?22光由玻璃射向水中反射时光由玻璃射向水中反射时, ,布儒斯特角为多少布儒斯特角为多少? ?解解: :例例5.5.它在界面同一侧的布儒斯特角时多少它在界面同一侧的布儒斯特角时多少? ?解解: :光在某两种媒质界面上全反射临界角是光在某两种媒质界面上全反射临界角是根据全反射特性有根据全反射特性有: :由布儒斯特定律有由布儒斯特定律有: :11