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1、 23.0 概述概述 光的干涉和衍射现象揭示了光的波动光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性,但还不能由此确定光是横波还是纵波;性,但还不能由此确定光是横波还是纵波;光的偏振光的偏振现象证实了光的横波特性,这与电现象证实了光的横波特性,这与电磁场理论的予见完全一致。光的偏振现象对磁场理论的予见完全一致。光的偏振现象对于人们的日常生活和科学技术的发展都有重于人们的日常生活和科学技术的发展都有重要的作用。要的作用。23.1 自然光和偏振光自然光和偏振光机械机械横波横波与纵与纵波的波的区别区别机机械械波波穿穿过过狭狭缝缝 一、偏振的概念一、偏振的概念:振动方向对于传播方向的不振动方向对于传播方向的不对称
2、性叫做对称性叫做偏振偏振。偏振性偏振性是横波区别于纵波的一个最明显的标是横波区别于纵波的一个最明显的标志,只有横波才有偏振现象。志,只有横波才有偏振现象。1.1.线偏振光线偏振光:二、光波的五种偏振状态二、光波的五种偏振状态2.2.自然光自然光:光矢量对于传播方光矢量对于传播方向完全对称的光波,其效果可向完全对称的光波,其效果可用两个互相垂直、位相没有关用两个互相垂直、位相没有关联的线偏振光来代替。联的线偏振光来代替。3.3.圆偏振光:圆偏振光:|E E|=|=常量常量,方向绕传播方向匀角速的转方向绕传播方向匀角速的转动的光波。顺时针为右旋,逆时针为左旋。动的光波。顺时针为右旋,逆时针为左旋。
3、4.4.椭圆偏振光:椭圆偏振光:E E 的大小和方向都在的大小和方向都在有规律的变化,有规律的变化,E E 的末端在垂直于传的末端在垂直于传播方向的平面内投播方向的平面内投影点的轨迹为椭圆影点的轨迹为椭圆的光波。的光波。5.5.部分偏振光:部分偏振光:自然自然光在传播过程中,由光在传播过程中,由于外界的作用造成各于外界的作用造成各个振向上的强度不等个振向上的强度不等的光波。的光波。若某一部分偏振光沿某一方向上具有光强的最大值 ,在其垂直方向上具有光强的最小值 ,通常用来量度偏振的程度,并称 为偏振度。三、获得线偏振光的常用方法三、获得线偏振光的常用方法 利用物质的二向色性制成偏振片利用物质的二
4、向色性制成偏振片(器器)反射或玻璃片堆反射或玻璃片堆 利用物质的双折射特性制成偏振棱镜利用物质的双折射特性制成偏振棱镜 二向色性二向色性:某某些物质能吸收某一些物质能吸收某一方向的光振动方向的光振动,而而只让与这个方向垂只让与这个方向垂直的光振动通过,直的光振动通过,这种性质称二向色这种性质称二向色性性。23.2.1 偏振器偏振器(片片):能使自然光变成偏振光的装置:能使自然光变成偏振光的装置(器件器件)。-将将二向色性二向色性材料涂在透明薄片上就可制成一材料涂在透明薄片上就可制成一个偏振片。个偏振片。透射轴方向透射轴方向(偏振化方向偏振化方向):当自然光照射在偏振:当自然光照射在偏振片上时,
5、它只让某一特定方向的光通过,这个方向片上时,它只让某一特定方向的光通过,这个方向叫此偏振片的透射轴方向,也叫偏振化方向叫此偏振片的透射轴方向,也叫偏振化方向。23.2.2 起偏和检偏起偏和检偏 起偏起偏-将自然光变成偏振光的过程;将自然光变成偏振光的过程;检偏检偏-检验入射光是否为偏振光并确定其振动检验入射光是否为偏振光并确定其振动方向。方向。23.2 起偏与检偏起偏与检偏检偏器检偏器起偏器起偏器偏振化方向偏振化方向23.2.3 马吕斯定律马吕斯定律(1880 年)年)马吕斯定律马吕斯定律-强度为强度为 的的偏振光通过检偏振器后偏振光通过检偏振器后,出射出射光的强度为光的强度为 例例1 两个偏
6、振片的透射轴互相垂直,在它们之间插两个偏振片的透射轴互相垂直,在它们之间插入两块偏振片,使相邻两个偏振片的透射轴都成入两块偏振片,使相邻两个偏振片的透射轴都成30角。角。如果入射的自然光光强为如果入射的自然光光强为 ,求通过所有偏振片后的透,求通过所有偏振片后的透射光的强度。射光的强度。解:解:入射的自然光强为入射的自然光强为 ,通过第一个偏振片,通过第一个偏振片后,光强为原来的一半,即后,光强为原来的一半,即 ;设通过第二、第三、第四个偏振片后的光强分别设通过第二、第三、第四个偏振片后的光强分别为为 ,已知相邻两个偏振片的透射轴都成,已知相邻两个偏振片的透射轴都成30角,则根据马吕斯定律有角
7、,则根据马吕斯定律有解解:设两束单色自然光的强度分别为设两束单色自然光的强度分别为 和和 .例例2 有两个偏振片有两个偏振片,一个用作起偏器一个用作起偏器,一个用作检偏器一个用作检偏器.当当它们偏振化方向间的夹角为它们偏振化方向间的夹角为 时时,一束单色自然光穿过它们一束单色自然光穿过它们,出射光强为出射光强为 ;当它们偏振化方向间的夹角为当它们偏振化方向间的夹角为 时时,另一束单另一束单色自然光穿过它们色自然光穿过它们,出射光强为出射光强为 ,且且 .求两束单色求两束单色自然光的强度之比自然光的强度之比.经过起偏器后光强分别为经过起偏器后光强分别为 和和 .经过检偏器后经过检偏器后空气空气
8、入射面入射面 入射光线和法入射光线和法线所成的平面线所成的平面.反射光反射光 部分部分偏振光偏振光 ,垂直于入射面的振动大于,垂直于入射面的振动大于平行于入射面的振动平行于入射面的振动.折射光折射光 部分部分偏振光,偏振光,平行于入射面的振动大于垂平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动直于入射面的振动.理论和实验证明理论和实验证明:反射光的偏振化程度与入射角有关:反射光的偏振化程度与入射角有关.玻璃玻璃23.3 反射光与折射光的偏振性反射光与折射光的偏振性布儒斯特定律布儒斯特定律(1812年)年)反射光为完全偏振光,且反射光为完全偏振光,且振动面垂直入射面,折射振动面垂直入射面,折射光为部分
9、偏振光。光为部分偏振光。当当 时,时,1)反射光和折射光互相垂直反射光和折射光互相垂直.讨论讨论玻璃玻璃空气空气 2)根据光的根据光的可逆性可逆性,当入射光以,当入射光以 角从角从 介介质入射于界面时,此质入射于界面时,此 角即为布儒斯特角角即为布儒斯特角.玻璃玻璃玻璃玻璃讨论讨论讨论下列光线的反射和折射(讨论下列光线的反射和折射(起偏角起偏角 ).讨论讨论 如图的装置如图的装置 为偏振片,为偏振片,问下列四种情况,屏上有无干涉条纹?问下列四种情况,屏上有无干涉条纹?1)去掉)去掉 保留保留 2)去掉)去掉 保留保留 3)去掉)去掉 保留保留 4)都保留都保留.无(两振动互相垂直)无(两振动互
10、相垂直)无(两振动互相垂直)无(两振动互相垂直)无(无恒定相位差)无(无恒定相位差)有有例例3 3:已知普通玻璃,当:已知普通玻璃,当i=ii=i0 0时,时,S/=0,S/=0,S=0.08 S=0.08,求:,求:R R,RR的相对光强的相对光强。玻璃片堆玻璃片堆1.1.问题的提出问题的提出2.2.获得线偏光的原理获得线偏光的原理3.3.实用价值实用价值*23.4*23.4 双折射双折射一、基本现象与概念一、基本现象与概念1.1.双折射现象双折射现象 用一块透明的光学性质为各向用一块透明的光学性质为各向异性的介质异性的介质-方解石晶体来做同方解石晶体来做同样实验,看到的折射像不但是字样实验
11、,看到的折射像不但是字“浮浮”起来了一些,而且是一高起来了一些,而且是一高一低的两个字。这表明,一束光一低的两个字。这表明,一束光在方解石晶体内分成了两束,这在方解石晶体内分成了两束,这种现象叫做双折射现象。种现象叫做双折射现象。动动 光光 学学波波 动动 光光 学学光通过光通过双折射晶体双折射晶体 寻常光线(寻常光线(o o光)光)(ordinary rays)(ordinary rays)-服从折射定律的光线服从折射定律的光线(extraordinray rays)非常光线(非常光线(e e光)光)(一般情况,非常光线不在入射面内)(一般情况,非常光线不在入射面内)实验证明:实验证明:O
12、光和光和 光均为偏振光光均为偏振光.ACBoeDeo2.2.寻常光寻常光(o(o光光)和非常光和非常光(e(e光光)-不不服从折射定律的光线服从折射定律的光线O光波阵面光波阵面 光波阵面光波阵面光轴光轴 寻常光线寻常光线 在晶体中在晶体中各方向上传播速度相同各方向上传播速度相同.常量常量 非常光线非常光线 晶体中各晶体中各方向上传播速度不同方向上传播速度不同,随随方向改变而改变方向改变而改变.为主折射率为主折射率3.3.晶体光学的几个基本概念晶体光学的几个基本概念光轴光轴(晶体内(晶体内 的方向)的方向)光轴光轴 主截面:主截面:当光在一晶体表面入射时,此表当光在一晶体表面入射时,此表面的法线
13、与光轴所成的平面面的法线与光轴所成的平面.当入射面是主截面时,当入射面是主截面时,O 光的振动光的振动垂直垂直主截面;主截面;光的振动光的振动平行平行于主截面于主截面.光轴光轴 光光 光光单轴晶体:单轴晶体:只有一个光轴的晶体只有一个光轴的晶体双轴晶体:双轴晶体:有两个光轴的晶体有两个光轴的晶体负晶体负晶体(n ne enno o)正晶体正晶体(n ne e n no o)三、双折射棱镜三、双折射棱镜1.1.渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜ABCABC和和ADCADC中,中,o o、e e光播向分析光播向分析 ADC ADC中,中,o o、e e光出射后播向分析光出射后播向分析BCAD 光光光光加拿大
14、树胶加拿大树胶加拿大树胶加拿大树胶n=1.550,n=1.550,对对o o光全反射临界角光全反射临界角 用途:用作偏振器用途:用作偏振器2.2.尼科耳棱镜尼科耳棱镜 镜中镜中o o、e e光播向分析方解石光播向分析方解石n no o=1.6581.658,n ne e=1.4861.486 23.7.3 旋光现象旋光现象 能产生旋光现象的叫能产生旋光现象的叫旋光物质旋光物质(如石英晶体、糖溶液、如石英晶体、糖溶液、酒石酸溶液等),物质的这种性质称为酒石酸溶液等),物质的这种性质称为旋光性旋光性。旋光仪旋光仪-观察偏振光振动面旋转的仪器。观察偏振光振动面旋转的仪器。一、旋光现象一、旋光现象-偏
15、振光通过某些物质后,其振动面将以光偏振光通过某些物质后,其振动面将以光的传播方向为轴线转过的传播方向为轴线转过 一定的角度。一定的角度。2.左旋物质左旋物质:面对着光源观察,使光振动面的旋转:面对着光源观察,使光振动面的旋转为逆时针的旋光物质(如蔗糖溶液)。为逆时针的旋光物质(如蔗糖溶液)。1.右旋物质右旋物质:面对着光源观察,使光振动面的旋转:面对着光源观察,使光振动面的旋转为顺时针的旋光物质为顺时针的旋光物质(如葡萄糖溶液);如葡萄糖溶液);二、旋光现象的二、旋光现象的 实验规律实验规律线偏振光通过旋光线偏振光通过旋光晶体时,振动面转晶体时,振动面转过的角度与晶体的过的角度与晶体的长度成正
16、比长度成正比 式中式中 是与旋光物质及入射光波长有关是与旋光物质及入射光波长有关的常量,称为该物质的的常量,称为该物质的旋光率旋光率。线偏振光通过溶液时振动面转过的角度除了与容器的长线偏振光通过溶液时振动面转过的角度除了与容器的长度成正比外,还与溶液的浓度成正比度成正比外,还与溶液的浓度成正比三、磁致旋光三、磁致旋光 如同人工双折射效应一样,对一些本身不具有旋如同人工双折射效应一样,对一些本身不具有旋光性的物质,在施以外力作用时也会产生旋光性,其光性的物质,在施以外力作用时也会产生旋光性,其中最重要的是磁致旋光。这是法拉第于中最重要的是磁致旋光。这是法拉第于1846年发现的,年发现的,常称为法
17、拉第旋转。常称为法拉第旋转。实验表明,对于给定的磁性介质,线偏振光通过实验表明,对于给定的磁性介质,线偏振光通过样品后,振动方向转过的角度样品后,振动方向转过的角度 与样品长度与样品长度 和外和外加磁场的磁感应强度加磁场的磁感应强度 成正比,即成正比,即式中式中 为费尔德常量,是一个与物质性质、环境温为费尔德常量,是一个与物质性质、环境温度及入射光波长有关的量,一般物质的费尔德常量都度及入射光波长有关的量,一般物质的费尔德常量都很小。很小。四、旋光现象的应用四、旋光现象的应用-糖量计糖量计L-透镜透镜P-起偏器起偏器单单色色光光源源T-玻璃容器玻璃容器A-检偏器检偏器溶液溶液1.已知溶液旋光率时,已知溶液旋光率时,T中先后装入溶剂和溶液,测出中先后装入溶剂和溶液,测出旋转角旋转角 ,浓度由公式,浓度由公式 算出;算出;2.不知溶液旋光率时,用比较法算出:不知溶液旋光率时,用比较法算出:标准溶液标准溶液(),旋转角度,旋转角度 待测溶液待测溶液(),旋转角度,旋转角度
限制150内