大學(xué)物理 光的偏振

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1、119 光 的 偏 振19-3 反 射 和 折 射 起 偏 布 儒 斯 特 定 律19-4 晶 體 雙 折 射 偏 振 棱 鏡19-5 橢 圓 和 圓 偏 振 光 的 獲 得 和 檢 驗(yàn)19-6 偏 振 光 的 干 涉19-2 起 偏 和 檢 偏 馬 呂 斯 定 律19-1 自 然 光 和 偏 振 光19-8 旋 光19-7 光 彈 效 應(yīng) 和 電 光 效 應(yīng) 22.線 偏 振 光光 的 振 動(dòng) 方 向 在 同 一 平 面 內(nèi) ， 只 沿 某 一 固 定 方 向 振 動(dòng) 的 光 。平 面 偏 振 光 完 全 偏 振 光 振 動(dòng) 面 vE一 、 自 然 光 偏 振 光1.自 然 光 （ 非 偏

2、振 光 ）在 垂 直 光 傳 播 方 向 的 平 面 內(nèi) ， 光 矢 量 大 小 在 所 有 可 能 方 向 上 都相 等 ， 各 矢 量 之 間 沒(méi) 有 固 定 的 相 位 關(guān) 系 ， 這 種 光 稱 為 自 然 光 。 22 ixxx AAI 22 iyyy AAI 021 III yx 19-1 自 然 光 和 偏 振 光 光 波 是 橫 波 光 的 偏 振 33.部 分 偏 振 光某 一 方 向 的 光 振 動(dòng) 比 與 其 垂 直 方 向 上 的光 振 動(dòng) 占 優(yōu) 勢(shì) 的 光 ， 稱 為 部 分 偏 振 光 。4.橢 圓 偏 振 光 和 圓 偏 振 光頻 率 相 同 ， 振 動(dòng) 方 向

3、 互 相 垂 直 ， 且 有 固定 相 位 差 的 兩 列 線 偏 振 光 的 合 振 動(dòng) 。 1cos( )xx A t 2cos( )yy A t 滿 足 橢 圓 方 程 ， 合 成 橢 圓 偏 振 光2 2 22 2 2 cos sinx y x yx y xyA A A A 2 1 (2 1) 2k x yA A 合 成 正 橢 圓 偏 振 光x yA A 合 成 圓 偏 振 光k 合 成 線 偏 振 光 419-2 起 偏 和 檢 偏 馬 呂 斯 定 律起 偏 器2.透 振 方 向 （ 偏 振 化 方 向 ） ：檢 偏 器當(dāng) 自 然 光 照 射 在 偏 振 片 上 時(shí) ， 它 只 讓

4、 某 一 特 定 方 向的 光 通 過(guò) ， 這 個(gè) 方 向 叫 此 偏 振 片 的 透 振 方 向 。1.二 向 色 性 和 偏 振 片 二 向 色 性二 向 色 性 ： 某 些 物 質(zhì) 能 吸 收 某一 方 向 的 光 振 動(dòng) ， 而 只 讓 與 這個(gè) 方 向 垂 直 的 光 振 動(dòng) 通 過(guò) ， 這種 性 質(zhì) 稱 二 向 色 性 。 5三 、 馬 呂 斯 定 律 ：一 束 光 強(qiáng) 為 I0 的 線 偏 振 光 ， 透 過(guò) 檢 偏 器 的 透 射 光 強(qiáng) 為 ： 20 cosI I 是 線 偏 振 光 的 光 振 動(dòng) 方 向 與 檢 偏 器 透 振 方 向 之 間 夾 角 。起 偏 器 透 振

5、 方 向0E 0I 檢 偏 器 E I 619-3 反 射 和 折 射 起 偏 布 儒 斯 特 定 律1. 反 射 和 折 射 起 偏 空 氣玻 璃2n1n ii折 射 光 ： 部 分 偏 振 光 20 1ntgi n i0 為 起 偏 角布 儒 斯 特 定 律滿 足 上 式 反 射 光 是 垂 直 于 入 射 面 的 完全 線 偏 振 光 ， 折 射 光 是 部 分 偏 振 光 。 反 射 光 ： 部 分 偏 振 光垂 直 于 入 射 面 的 振 動(dòng) 大 于 平 行 于 入 射 面 的 振 動(dòng) 。平 行 于 入 射 面 的 振 動(dòng) 大 于 垂 直 于 入 射 面 的 振 動(dòng) 。 20 i 反

6、 射 線 與 折 射 線 垂 直 0i 0i1n 2n 7 玻 片 堆玻 片 堆許 多 玻 璃 片 疊 起 來(lái) ：增 強(qiáng) 反 射 光 的 強(qiáng) 度 ，增 強(qiáng) 透 射 光 的 偏 振 化 程 度 。折 射 光 近 似 完 全 線 偏 振 光 ， 是平 行 于 入 射 面 振 動(dòng) 。 80i 0i 0ii i i討 論 下 列 情 況 光 線 的 反 射 和 折 射 919-4 晶 體 雙 折 射 偏 振 棱 鏡一 、 雙 折 射 的 尋 常 光 和 非 常 光尋 常 光 （ O光 ） ： 滿 足 折 射 定 律 。非 常 光 （ e 光 ） ： 違 背 折 射 定 律 。實(shí) 驗(yàn) 證 明 O 光 和

7、 e 光 都 是 偏 振 光 O光e光 偏 振 片晶 體 光 學(xué) 性 質(zhì) 簡(jiǎn) 介1.晶 體 的 光 軸晶 體 內(nèi) 部 的 一 個(gè) 特 殊 方 向 ， 稱 晶 體 的光 軸 。 光 線 沿 這 一 方 向 傳 播 時(shí) 不 發(fā) 生雙 折 射 現(xiàn) 象 。 方 解 石 晶 體單 軸 晶 體 雙 軸 晶 體2.晶 體 主 截 面界 面 的 法 線 和 光 軸 構(gòu) 成 的 平 面 3.晶 體 主 平 面晶 體 中 某 光 線 和 光 軸 構(gòu) 成 的 平 面 102 AB 光 軸7878 78 102102 10產(chǎn) 生 雙 折 射 的 原 因?qū)?常 光 線 （ O光 ）o ocn v 常 量 光 軸 ov非

8、 常 光 線 （ e光 ）e ecn v ne 為 主 折 射 率 光 振 動(dòng) 方 向 始 終 與 光 軸 垂 直 ， 在 晶 體 中 的 傳播 速 度 和 折 射 率 恒 定 ， 因 而 遵 守 折 射 定 律 。光 振 動(dòng) 方 向 和 光 軸 夾 角 在 晶 體中 發(fā) 生 變 化 ， 傳 播 速 度 和 折 射率 也 隨 之 改 變 ， 因 而 不 遵 守 折射 定 律 。 O光 波 陣 面 ev e光 波 陣 面 11*二 、 惠 更 斯 原 理 對(duì) 雙 折 射 現(xiàn) 象 的 解 釋正 晶 體 :負(fù) 晶 體 : ( )oo e evn n v ( ) o e o evn n v 如 石 英

9、 ， 碳 ， 冰 。如 方 解 石 ， 紅 寶 石 。 1.正 晶 體 和 負(fù) 晶 體 光 軸負(fù) 晶 體ov ev光 軸正 晶 體ov ev 122） *惠 更 斯 作 圖 法 空 氣方 解 石折 射 表 面光 軸 方 向 A BA0 BB eO e 13光 軸 O e O e(a) 光 軸 (b) 光 軸 (c) 光 軸(d)Oe 14三 、 尼 科 爾 棱 鏡 15*四 、 1/4波 片 和 半 波 片( )o en n d 2 ( ) o en n d / 2 ( ) 4o en n d ( ) 2o en n d 半 波 片從 單 晶 體 切 下 來(lái) 的 薄 片 ， 其 表 面與 晶

10、體 的 光 軸 平 行 。1/4波 片 光 軸波 片 光 軸 1619-5 橢 圓 偏 振 光 和 圓 偏 振 光 的 獲 得 和 檢 驗(yàn)利 用 振 動(dòng) 方 向 互 相 垂 直 ， 頻 率 相 同 的 兩 個(gè) 簡(jiǎn) 諧 運(yùn)動(dòng) 能 夠 合 成 為 橢 圓 或 圓 運(yùn) 動(dòng) 的 原 理 。 1/4波 片( ) o en n d /2 正 橢 圓 偏 振 光/4 圓 偏 振 光sinoA A coseA A 4 d1P 光軸 17小 結(jié) ： 偏 振 光 的 獲 得 和 檢 驗(yàn)1.偏 振 光 的 獲 得1） 線 偏 振 光 ： （ 從 自 然 光 獲 得 線 偏 振 光 ）2） 橢 圓 偏 振 光 ：偏

11、振 片 、 玻 片 堆 、 晶 體 （ 波 片 ） 、 尼 科 耳 棱 鏡 等 。自 然 光 通 過(guò) 起 偏 器 和 一 個(gè) 波 片 。2.檢 驗(yàn) 偏 振 光自 然 光 ， 圓 偏 振 光 ， 線 偏 振 光 ， 部 分 偏 振 光 ， 橢 圓 偏 振 光 。 18第 一 步第 二 步 令 入 射 光 通 過(guò) 偏 振 片 A ， 改 變 A 的 透 振 方 向 ， 觀 察 透 射 光 強(qiáng) 變 化觀 察 現(xiàn) 象觀 察 現(xiàn) 象結(jié) 論 結(jié) 論 有 消 失線 偏 振 光 有 消 失圓 偏 振 光 無(wú) 消 失自 然 光強(qiáng) 度 無(wú) 變 化自 然 光 或 圓 偏 振 光a.令 入 射 光 依 次 通 過(guò)1/

12、4 波 片 和 偏 振 片 B，改 變 B的 透 振 方 向 ，觀 察 透 光 強(qiáng) 度 變 化 。 有 消 失 無(wú) 消 失橢 圓 偏 振 光 部 分 偏 振 光強(qiáng) 度 有 變 化 ， 但 無(wú) 消 光部 分 偏 振 光 或 橢 圓 偏 振 光b. 1/4波 片 的 光 軸 方 向 必 須與 通 過(guò) 偏 振 片 A的 極 大 或 極小 的 透 振 方 向 重 合 。 IA I4 B 4A B 19E e2 和 Eo2兩 束 光 頻 率 相 同 ， 振 動(dòng) 方 向相 同 ， 相 位 差 恒 定 ， 是 相 干 偏 振 光 。 19-6 偏 振 光 的 干 涉1. 偏 振 光 的 干 涉 現(xiàn) 象2.

13、偏 振 光 的 干 涉 原 理 2 1cos cos cose eE E E 2 1sin sin sino oE E E Eo Ee P1 E1P2Ee2Eo2O 光 軸電 矢 量 的 分 解 與 合 成 e 20光 屏 上 的 合 成 振 動(dòng) 振 幅 2E222 oe EEE 2 22 2 2 22 cose o e oE E E E 強(qiáng) 度 2 2 22 2 2 2 2 22 cose o e oI E E E E E 討 論 ：1） I 2 與 、 、 有 關(guān) 。2） 來(lái) 源 a） 入 射 波 片 前 的 1， 設(shè) 1=0b） 波 片 引 起 的 2c） 坐 標(biāo) 投 影 引 起 的 3

14、（ 0 或 ） 02 0 ( )en n d 或2 2 2 21 1(cos cos sin sin sin 2 sin o )2 c s2I Eo Ee P1 E1 P2Ee2Eo2O e光 軸 213） 當(dāng) 21 PP 3 2 22 1 0sin 2 sin ( )edI I n n 當(dāng) ( 0,1, 2 )2K K 時(shí) ， 2 0I 出 現(xiàn) 消 光 現(xiàn) 象(2 1) 4K 時(shí) ，當(dāng) sin 2 1 2I 達(dá) 到 極 大 。 2 2 2 22 1 1(cos cos sin sin sin2 sin2 cos )2I I 2 02 11 sin 22eE E E 2 因 此 ， 在 兩 正

15、 交 偏 振 片 上 ， 插 入 晶 片 厚 度 d 或 (n 0-ne)不 均 勻 ，將 在 屏 上 出 現(xiàn) 類 似 于 等 厚 干 涉 條 紋 圖 樣 。4） 白 光 照 射 下 干 涉 圖 樣 有 彩 色 變 化 叫 色 偏 振5） 當(dāng) 21 / PP 3 0 21/2 III 互 補(bǔ)Eo Ee P1 E1 P2 Ee2Eo2O e光 軸 2219-7 光 彈 效 應(yīng) 和 電 光 效 應(yīng)1. 光 彈 效 應(yīng)2. 電 光 效 應(yīng)克 爾 效 應(yīng)泡 克 耳 斯 效 應(yīng) 2( )o en n l klE 2319-18 旋 光 現(xiàn) 象1. 晶 體 和 溶 液 的 旋 光 性旋 光 現(xiàn) 象1） 晶

16、 體 :振 動(dòng) 面 旋 轉(zhuǎn) 角 度d d d 2） 液 體 :晶 體 厚 度晶 體 的 旋 光 度 （ 率 ）溶 液 濃 度旋 光 率 242 磁 致 旋 光 BlV:l :B :V 樣 品 長(zhǎng) 度磁 場(chǎng) 費(fèi) 爾 德 常 數(shù) 左 旋右 旋 25偏 振 總 結(jié) 1.起 偏 方 法3.馬 呂 斯 定 律4.布 儒 斯 特 定 律 20 cosI I 20 1ntgi n2.檢 偏 方 法吸 收 起 偏 ， 反 射 ， 折 射 ， 晶 體 雙 折 射 00 90i 26例 1. 一 束 自 然 光 從 空 氣 射 到 平 面 玻 璃 上 ， 入 射 角 為 58o ， 此 時(shí)反 射 光 是 線 偏

17、振 光 ， 求 此 玻 璃 的 折 射 率 及 光 線 的 折 射 角 。解 ： 由 布 儒 斯 特 定 律20 2 1ntgi nn 00 90i 折 射 角 為 02 58 1.60n tg 0 0 090 58 32 0i 0i1n 2n 27例 2. 兩 個(gè) 偏 振 方 向 正 交 放 置 的 偏 振 片 ， 以 光 強(qiáng) 為 I0的 自 然 單 色 光照 射 ， 若 在 其 中 插 入 另 一 塊 偏 振 片 ， 求 ：（ 1） 若 透 過(guò) 的 光 強(qiáng) 為 I0 /8， 插 入 的 偏 振 片 方 位 角 ；（ 2） 若 透 過(guò) 的 光 強(qiáng) 為 0， 插 入 的 偏 振 片 方 位 角

18、 ；（ 3） 能 否 找 到 合 適 的 方 位 ， 使 透 過(guò) 的 光 強(qiáng) 為 I0/2；（ 4） 若 在 其 中 插 入 一 塊 1/4波 片 ， 其 光 軸 與 第 一 塊 偏 振 片 的 偏 振方 向 成 30角 ， 出 射 光 的 強(qiáng) 度 為 多 少 ？解 : （ 1） 設(shè) 插 入 的 偏 振 片 與 第 一 塊 偏 振 片 偏 振方 向 的 夾 角 為 ， 則 與 第 二 塊 的 夾 角 為 90-。自 然 光 透 過(guò) 第 一 塊 偏 振 片 后 的 光 強(qiáng) 為 I 0/2。由 馬 呂 斯 定 律 透 過(guò) 第 二 ， 三 個(gè) 偏 振片 光 強(qiáng) 分 別 為 22 01 cos2I I

19、 2 0 23 2 01cos (90 ) sin 28I I I 045 1P 3P2P 28（ 2） 若 I3=0， 得2sin 2 0 0 2 或即 插 入 的 偏 振 片 偏 振 方 向 應(yīng) 與其 中 的 一 塊 平 行 。（ 3） 若 I3=I0/2， 得 2sin 2 4 說(shuō) 明 出 射 光 強(qiáng) 不 可 能 為 I0/2。 23 01 sin 28I I P 1P2 Ae1Ao1 A1光 軸Ae2Ao22 2 1 11 3sin 22 4e oA A A A （ 4） 設(shè) 通 過(guò) 第 一 片 偏 振 片 P1的 光振 幅 為 A1， 則通 過(guò) 1/4玻 片 后 ， O光 和 e光

20、有 /2的 相 位 差 ， 通 過(guò) 第 二 片 偏 振 片P2后 產(chǎn) 生 附 加 相 位 差 。通 過(guò) 第 二 片 偏 振 片 后 O光 和 e光 是 相 干 光 ， 合 成 光 強(qiáng) 為2 2 22 2 2 02 22 cos( )2o e eI A A A A A 0316 I1P 3P2P 29例 3. 用 方 解 石 晶 體 （ 負(fù) 晶 體 ） 切 成 一 個(gè) 截 面 為 正 三 角 形 的棱 鏡 ， 光 軸 方 向 如 圖 ， 若 自 然 光 以 入 射 角 i 入 射 并 產(chǎn) 生 雙折 射 。 試 定 性 地 分 別 畫 出 o 光 和 e 光 的 光 路 及 振 動(dòng) 方 向 。i 060光 軸 i 光 軸 oe