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1、第四篇第四篇 波动光学波动光学第九章第九章 光的干涉光的干涉第十章第十章 光的衍射光的衍射第十一章第十一章 光的偏振光的偏振.1 光的偏振性光的偏振性 马马吕斯定律吕斯定律一一.光的偏振状态光的偏振状态1.1.线偏振光线偏振光E播播传传方方向向振振动动面面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互线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解垂直的方向分解EEyEx yx 线偏振光的表示法:线偏振光的表示法: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第十一章第十一章 光的偏振光的偏振2.自然光自然光自然光的光矢量在所有可自然光的光矢量在所有可能的方向上能的方向上,且振幅且振幅E
2、相等相等.没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解一一束束自自然然光光可可分分解解为为两两束束振振动动方方向向相相互互垂垂直直的的、等等幅幅的的、不相干的线偏振光。不相干的线偏振光。自然光的表示法:自然光的表示法:3.部分偏振光部分偏振光某一某一方向的光振动比与之相垂方向的光振动比与之相垂直方向的光振动占优势的光直方向的光振动占优势的光.EEyEx yx 线偏振光的表示法:线偏振光的表示法: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2.自然光自然光自然光的光矢量在所有可自然光的光矢量在所有可能的方向上能的方向上,且振幅且振幅E相等相等.部分偏振光的分解部分偏振光的分解部分
3、偏振光部分偏振光部部分分偏偏振振光光可可分分解解为为两两束束振振动动方方向向相相互互垂垂直直的的、不不等等幅幅的的、不不相相干干的的线线偏偏振振光光.部分偏振光的表示法:部分偏振光的表示法:垂直板面的光振动较强垂直板面的光振动较强平行板面的光振动较强平行板面的光振动较强4.圆圆偏偏振振光光和和椭椭圆圆偏偏振光振光没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解一一束束自自然然光光可可分分解解为为两两束束振振动动方方向向相相互互垂垂直直的的、等等幅幅的的、不相干的线偏振光。不相干的线偏振光。自然光的表示法:自然光的表示法:3.部分偏振光部分偏振光某一某一方向的光振动比与之相垂方向的光振动比与之相
4、垂直方向的光振动占优势的光直方向的光振动占优势的光.偏振面偏振面随时间旋转的随时间旋转的光为圆或光为圆或椭圆偏振光椭圆偏振光.迎着迎着光线看光线看,光矢量顺光矢量顺时针旋转为右旋偏振光时针旋转为右旋偏振光.右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光 y yx z传播方向传播方向 /2x某时刻左旋圆偏振光某时刻左旋圆偏振光E随随z的变化的变化E0部分偏振光的分解部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光部部分分偏偏振振光光可可分分解解为为两两束束振振动动方方向向相相互互垂垂直直的的、不不等等幅幅的的、不不相相干干的的线线偏偏振振光光.部分偏振光的表示法:部分偏振光的表示法:垂直板面的光振动较强垂直板面的光振动较强平
5、行板面的光振动较强平行板面的光振动较强4.圆圆偏偏振振光光和和椭椭圆圆偏偏振光振光1.起偏和检偏起偏和检偏2.偏振片偏振片二二.偏振片的起偏和检偏偏振片的起偏和检偏如如利用某些物质能吸收某一利用某些物质能吸收某一方向的光振动方向的光振动,而让与这个而让与这个方向垂直的光振动通过的性方向垂直的光振动通过的性质质(二向色性二向色性)制成起偏器制成起偏器.检检偏偏:检验偏振光检验偏振光,起偏起偏器也就是检偏器器也就是检偏器.起起偏偏:从自然光获得偏振从自然光获得偏振光光.起偏起偏原理原理:利用某种光学利用某种光学的不对称性的不对称性.起偏器起偏器:起偏的光学器起偏的光学器件件.偏振面偏振面随时间旋转
6、的随时间旋转的光为圆或光为圆或椭圆偏振光椭圆偏振光.迎着迎着光线看光线看,光矢量顺光矢量顺时针旋转为右旋偏振光时针旋转为右旋偏振光.右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光 y yx z传播方向传播方向 /2x某时刻左旋圆偏振光某时刻左旋圆偏振光E随随z的变化的变化E0这种起这种起偏器偏器叫偏振片叫偏振片.非偏振光非偏振光线偏振光线偏振光光轴光轴电气石晶片电气石晶片3.起偏示意图起偏示意图自然光自然光I0线偏振光线偏振光 IP 偏振化方向偏振化方向(透光方向透光方向)4.4.检偏检偏用偏振器件分析、检验用偏振器件分析、检验光的偏振态光的偏振态.1.起偏和检偏起偏和检偏2.偏振片偏振片二二.偏振片的起偏和检
7、偏偏振片的起偏和检偏如如利用某些物质能吸收某一利用某些物质能吸收某一方向的光振动方向的光振动,而让与这个而让与这个方向垂直的光振动通过的性方向垂直的光振动通过的性质质(二向色性二向色性)制成起偏器制成起偏器.检检偏偏:检验偏振光检验偏振光,起偏起偏器也就是检偏器器也就是检偏器.起起偏偏:从自然光获得偏振从自然光获得偏振光光.起偏起偏原理原理:利用某种光学利用某种光学的不对称性的不对称性.起偏器起偏器:起偏的光学器起偏的光学器件件.偏振化方向偏振化方向(透光方向透光方向)I?P待检光待检光思考思考:I不变不变?是什么光?是什么光I变,有消光变,有消光?是什?是什么光么光I变,无消光变,无消光?是
8、什?是什么光么光当当偏振片旋转时偏振片旋转时.三三.马吕斯定律马吕斯定律这种起这种起偏器偏器叫偏振片叫偏振片.非偏振光非偏振光线偏振光线偏振光光轴光轴电气石晶片电气石晶片3.起偏示意图起偏示意图自然光自然光I0线偏振光线偏振光 IP 偏振化方向偏振化方向(透光方向透光方向)4.4.检偏检偏用偏振器件分析、检验用偏振器件分析、检验光的偏振态光的偏振态.I0IPP E0 E=E0cos 消光消光马吕斯定律马吕斯定律(18091809)偏振化方向偏振化方向(透光方向透光方向)I?P待检光待检光思考思考:I不变不变?是什么光?是什么光I变,有消光变,有消光?是什?是什么光么光I变,无消光变,无消光?是
9、什?是什么光么光当当偏振片旋转时偏振片旋转时.三三.马吕斯定律马吕斯定律例题例题1.1.有有两个偏振片两个偏振片,一个用作一个用作起偏器起偏器,一个用作检偏器一个用作检偏器.当它们的偏振化方向之当它们的偏振化方向之间的夹角为间的夹角为30时时,一束一束单色自然光穿过它们单色自然光穿过它们,出出射光强为射光强为I1;当它们的偏当它们的偏振化方向之间的夹角为振化方向之间的夹角为60时时,另一束单色自然另一束单色自然光穿过它们光穿过它们,出射强度为出射强度为I2,且且I 1=I2.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.解解:由马吕斯定律由马吕斯定律 I0IPP E0 E=E0cos
10、消光消光马吕斯定律马吕斯定律(18091809)I10I10/2I1同同理理:取取 I1=I2两束两束单色自然光的强度单色自然光的强度比为比为:例题例题1.有有两个偏振片两个偏振片,一个用作一个用作起偏器起偏器,一个用作检偏器一个用作检偏器.当它们的偏振化方向之当它们的偏振化方向之间的夹角为间的夹角为30时时,一束一束单色自然光穿过它们单色自然光穿过它们,出出射光强为射光强为I1;当它们的偏当它们的偏振化方向之间的夹角为振化方向之间的夹角为60时时,另一束单色自然另一束单色自然光穿过它们光穿过它们,出射强度为出射强度为I2,且且I 1=I2.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
11、.解解:由马吕斯定律由马吕斯定律i=i0 0 时,反射光只有垂时,反射光只有垂直于入射面的光振动直于入射面的光振动.自自然然光光反反射射和和折折射射后后产产生生部部分分偏偏振振光光n1n2i ir线偏振光线偏振光n1n2i0i0r0S起偏振角起偏振角2 2 反射和折射光的偏振反射和折射光的偏振 一一.反射时光的偏振反射时光的偏振I10I10/2I1同同理理:取取 I1=I2两束两束单色自然光的强度单色自然光的强度比为比为:且且布儒斯特定律布儒斯特定律(1812年年)i 0 0布儒斯特角或起偏角布儒斯特角或起偏角有有:i0 0+r0 0=90=90O O 由由 若若 n1 1 =1.00=1.0
12、0(空空气气),n2 2=1.50(=1.50(玻璃玻璃),则:则:i=i0 0 时,反射光只有垂时,反射光只有垂直于入射面的光振动直于入射面的光振动.自自然然光光反反射射和和折折射射后后产产生生部部分分偏偏振振光光n1n2i ir线偏振光线偏振光n1n2i0i0r0S起偏振角起偏振角2 2 反射和折射光的偏振反射和折射光的偏振 一一.反射时光的偏振反射时光的偏振二二.玻璃片堆折射的偏振玻璃片堆折射的偏振当当i=i0 0时时自然光从空气自然光从空气玻璃玻璃玻璃片堆玻璃片堆i0(接近线偏振光接近线偏振光)I I0且且布儒斯特定律布儒斯特定律(1812年年)i 0 0布儒斯特角或起偏角布儒斯特角或
13、起偏角有有:i0 0+r0 0=90=90O O 由由 若若 n1 1 =1.00=1.00(空空气气),n2 2=1.50(=1.50(玻璃玻璃),则:则:3 双折射双折射 偏振棱镜偏振棱镜一一.双折射的概念双折射的概念1.双折射现象双折射现象一束一束光线进入某种晶体光线进入某种晶体,产生两束折射光叫双折产生两束折射光叫双折射射.方解石方解石oee o n1n2irore(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光o光光e光光二二.玻璃片堆折射的偏振玻璃片堆折射的偏振当当i=i0 0时时自然光从空气自然光从空气玻璃玻璃玻璃片堆玻璃片堆i0(接近线偏振光接近线偏振光)I I0o o光光 :遵从折射
14、定律遵从折射定律2.寻常光寻常光(o光光)和非寻常和非寻常光光(e光光)e e光光 :一一般般不不遵遵从从折折射定律射定律e e光折射线也不一定在光折射线也不一定在入射面内入射面内.3.晶体的光轴晶体的光轴当当光光在在晶晶体体内内沿沿某某个个特特殊殊方方向向传传播播时时不不发发生生双双折折射射,该该方方向向称称为为晶晶体体的的光轴光轴。3 双折射双折射 偏振棱镜偏振棱镜一一.双折射的概念双折射的概念1.双折射现象双折射现象一束一束光线进入某种晶体光线进入某种晶体,产生两束折射光叫双折产生两束折射光叫双折射射.方解石方解石oee o n1n2irore(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光o光
15、光e光光例如,方解石晶体例如,方解石晶体(冰洲石冰洲石)光光轴轴是是一一特特殊殊的的方方向向,凡凡平平行行于于此此方方向向的的直直线线均均为光轴为光轴.AB光轴光轴102主主截截面面:晶晶体体表表面面的的法法线线与与晶晶体体光光轴轴构构成成的的平平面面.如如图图入入射射时时,入入射射面面就就是是主截面主截面.4.主平面和主截面主平面和主截面o o光光 :遵从折射定律遵从折射定律2.寻常光寻常光(o光光)和非寻常和非寻常光光(e光光)e e光光 :一一般般不不遵遵从从折折射定律射定律e e光折射线也不一定在光折射线也不一定在入射面内入射面内.3.晶体的光轴晶体的光轴当当光光在在晶晶体体内内沿沿某
16、某个个特特殊殊方方向向传传播播时时不不发发生生双双折折射射,该该方方向向称称为为晶晶体体的的光轴光轴。10971法线法线入射线入射线主主截面截面光轴光轴主主平面平面:晶晶体体中中光光的的传传播播方方向向与晶体光轴构成的平面与晶体光轴构成的平面.一般情况下一般情况下,o主平面主平面与与e主平面是不重合的主平面是不重合的.实验表明实验表明:o光是光光是光矢量与矢量与o主平面主平面垂直的线偏振光垂直的线偏振光.例如,方解石晶体例如,方解石晶体(冰洲石冰洲石)光光轴轴是是一一特特殊殊的的方方向向,凡凡平平行行于于此此方方向向的的直直线线均均为光轴为光轴.AB光轴光轴102主主截截面面:晶晶体体表表面面
17、的的法法线线与与晶晶体体光光轴轴构构成成的的平平面面.如如图图入入射射时时,入入射射面面就就是是主截面主截面.4.主平面和主截面主平面和主截面光轴光轴光轴光轴e e光是光光是光矢量与矢量与e e主平面平主平面平行的线偏振光行的线偏振光.当当光轴在入射面内时光轴在入射面内时,主截主截面面,o主平面主平面,e主平面都重合主平面都重合.o光光法线法线e光光法线法线o光光e光光二二.惠更斯原理对双折射的惠更斯原理对双折射的解释解释1.1.晶晶体体的的主主折折射射率率,正正晶晶体、负晶体体、负晶体10971法线法线入射线入射线主主截面截面光轴光轴主主平面平面:晶晶体体中中光光的的传传播播方方向向与晶体光
18、轴构成的平面与晶体光轴构成的平面.一般情况下一般情况下,o主平面主平面与与e主平面是不重合的主平面是不重合的.实验表明实验表明:o光是光光是光矢量与矢量与o主平面主平面垂直的线偏振光垂直的线偏振光.vo t光轴光轴 在在双双折折射射晶晶体体中中,o o光光沿沿各各向向传传播播的的速速度度相相同同,故故o o波波波波面面为为球球面面;e e光光沿沿各各向向的的传传播播速速度度不不同同,e e波波面面为为椭椭球球面面.两两者者沿沿光光轴轴方向传播速度相同方向传播速度相同.o光光:光轴光轴ve tvo t二二.惠更斯原理对双折射的惠更斯原理对双折射的解释解释光轴光轴光轴光轴e e光是光光是光矢量与矢
19、量与e e主平面平主平面平行的线偏振光行的线偏振光.当当光轴在入射面内时光轴在入射面内时,主截主截面面,o主平面主平面,e主平面都重合主平面都重合.o光光法线法线e光光法线法线o光光e光光1.1.晶晶体体的的主主折折射射率率,正正晶晶体、负晶体体、负晶体 正晶体正晶体 :ne no负晶体负晶体 :ne e ve)负负晶晶体体(vo ve)子波源子波源(ve vo o)e光光:n0 0,ne称为晶体的主折射率称为晶体的主折射率vo t光轴光轴 在在双双折折射射晶晶体体中中,o o光光沿沿各各向向传传播播的的速速度度相相同同,故故o o波波波波面面为为球球面面;e e光光沿沿各各向向的的传传播播速
20、速度度不不同同,e e波波面面为为椭椭球球面面.两两者者沿沿光光轴轴方向传播速度相同方向传播速度相同.o光光:光轴光轴ve tvo t三三.尼科耳棱镜尼科耳棱镜ABCD102A(D)B(C)由由方解石切割再用树胶方解石切割再用树胶粘合而成粘合而成.尼科耳棱镜工作原理尼科耳棱镜工作原理:自然光在自然光在AB面折射为面折射为o光和光和e光光,o光以约光以约76入入射到射到AC的加拿大树胶的加拿大树胶层上层上.被被AC面全反射面全反射.只有只有e光出射光出射,产生偏振产生偏振光光.正晶体正晶体 :ne no负晶体负晶体 :ne e ve)负负晶晶体体(vo ve)子波源子波源(ve vo o)e光光
21、:n0 0,ne称为晶体的主折射率称为晶体的主折射率o光光:而而i=76 69,全反射全反射.例题例题2.两尼科耳两尼科耳棱镜的主棱镜的主截面间的夹角由截面间的夹角由30转到转到45.(1)当入射当入射光是自然光时光是自然光时,求转求转动前后透射光的强动前后透射光的强度之比度之比;(2)当入射当入射光是线偏振光时光是线偏振光时,求求转动前后透射光的转动前后透射光的强度之比强度之比.三三.尼科耳棱镜尼科耳棱镜ABCD102A(D)B(C)由由方解石切割再用树胶方解石切割再用树胶粘合而成粘合而成.尼科耳棱镜工作原理尼科耳棱镜工作原理:自然光在自然光在AB面折射为面折射为o光和光和e光光,o光以约光
22、以约76入入射到射到AC的加拿大树胶的加拿大树胶层上层上.被被AC面全反射面全反射.只有只有e光出射光出射,产生偏振产生偏振光光.(1)入射光为自然光夹角入射光为自然光夹角为为30时时夹角为夹角为45时时所以所以(2)入射光为线偏振光入射光为线偏振光夹角为夹角为30时时解解:尼科耳棱镜出射为振动面尼科耳棱镜出射为振动面在主截面内的线偏振光在主截面内的线偏振光.主截主截面即偏振化方向面即偏振化方向.例题例题2.o光光:而而i=76 69,全反射全反射.两尼科耳两尼科耳棱镜的主棱镜的主截面间的夹角由截面间的夹角由30转到转到45.(1)当入射当入射光是自然光时光是自然光时,求转求转动前后透射光的强
23、动前后透射光的强度之比度之比;(2)当入射当入射光是线偏振光时光是线偏振光时,求求转动前后透射光的转动前后透射光的强度之比强度之比.夹角为夹角为45时时所以所以一一.物质的旋光性物质的旋光性线偏振光通过某些物质,线偏振光通过某些物质,其振动面发生旋转其振动面发生旋转3 旋光旋光现象现象 旋光物质旋光物质 l(1)入射光为自然光夹角入射光为自然光夹角为为30时时夹角为夹角为45时时所以所以(2)入射光为线偏振光入射光为线偏振光夹角为夹角为30时时解解:尼科耳棱镜出射为振动面尼科耳棱镜出射为振动面在主截面内的线偏振光在主截面内的线偏振光.主截主截面即偏振化方向面即偏振化方向.旋光率旋光率对固体的旋光物质对固体的旋光物质:溶液的浓度溶液的浓度可制成可制成“量糖计量糖计”二二.量糖术量糖术对溶液有对溶液有 溶液的旋光率溶液的旋光率人为双折射人为双折射现象现象3 旋光旋光现象现象夹角为夹角为45时时所以所以一一.物质的旋光性物质的旋光性线偏振光通过某些物质,线偏振光通过某些物质,其振动面发生旋转其振动面发生旋转 旋光物质旋光物质 l谢谢!谢谢!
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