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第第8 8章章 光的偏振光的偏振（polarizationoflight）1光的干涉和衍射现象显示了光的波动特性，但还不能完全光的干涉和衍射现象显示了光的波动特性，但还不能完全断定光是纵波还是横波。断定光是纵波还是横波。波动是振动的传播过程。变化的电场波动是振动的传播过程。变化的电场(电矢量电矢量)和变化的磁场和变化的磁场(磁矢量磁矢量)在空间的传播形成电磁波在空间的传播形成电磁波电磁波是横波，即光振动的方向与光的传播方向总是垂直电磁波是横波，即光振动的方向与光的传播方向总是垂直光的生理作用、感光现象，实际是电矢量在起作用，光的生理作用、感光现象，实际是电矢量在起作用，即是电场即是电场强度强度E矢量（光振动）。矢量（光振动）。光是电磁波在人眼视觉范围内的波段光是电磁波在人眼视觉范围内的波段400nm760nm。对应对应红、橙、黄、绿、青、蓝、紫光。红、橙、黄、绿、青、蓝、紫光。4000紫紫7600红红2利用光的偏振现象发明了立体电影，照相技术中用于消除利用光的偏振现象发明了立体电影，照相技术中用于消除不必要的反射光或散射光。光在晶体中的传播与偏振现象不必要的反射光或散射光。光在晶体中的传播与偏振现象密切相关，利用偏振现象可了解晶体的光学特性，制造用密切相关，利用偏振现象可了解晶体的光学特性，制造用于测量的光学器件，以及提供诸如岩矿鉴定、光测弹性及于测量的光学器件，以及提供诸如岩矿鉴定、光测弹性及激光调制等技术手段。激光调制等技术手段。偏振偏振光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象。失去对称性的现象。只有横波才能产生偏振只有横波才能产生偏振现象，故光现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。的偏振是光的波动性的又一例证。光的偏振现象从实验上清楚地显示出光的横波性，这一点与光的偏振现象从实验上清楚地显示出光的横波性，这一点与光的电磁理论的预言一致。光的电磁理论的预言一致。研究光的振动方向的特性即光的偏振性。研究光的振动方向的特性即光的偏振性。38-1偏振光和自然光偏振光和自然光就其偏振状态区分，光可以分成三类：非偏振光，完全就其偏振状态区分，光可以分成三类：非偏振光，完全偏振光和部分偏振光。偏振光和部分偏振光。1。非偏振光（自然光）。非偏振光（自然光）简化简化合成两个相互垂合成两个相互垂直的方向直的方向.vE E没有优势方向没有优势方向（分（分布各向均匀，且其布各向均匀，且其振幅相等）振幅相等）普通光源发光都是非偏振光普通光源发光都是非偏振光两个相互垂直的方向的光两个相互垂直的方向的光振动振幅相等，但是相互独立振动振幅相等，但是相互独立的，没有固定的位相关系的，没有固定的位相关系.4自然光简自然光简化：化：偏偏振振光光部分偏振光部分偏振光完全（线）偏振光完全（线）偏振光v采用某些采用某些实验手段实验手段，获取现（线）偏振光的方法，获取现（线）偏振光的方法起偏起偏5某些物质对于光的互相垂直的分振动具有选择吸收的性能某些物质对于光的互相垂直的分振动具有选择吸收的性能人造偏振片人造偏振片偏振化方向偏振化方向容许光容许光振动矢量通过的方向振动矢量通过的方向。自然光通过偏振片自然光通过偏振片偏振光偏振光起偏起偏明明明明,但减弱但减弱=/2暗（消光）暗（消光）如果入射光是部分偏振光如果入射光是部分偏振光,旋转偏振片旋转偏振片,透射光有明暗变化透射光有明暗变化,但不会出现全暗（无消光点）但不会出现全暗（无消光点）;入射光是自然光入射光是自然光,透射光无明透射光无明暗变化暗变化.检偏检偏.8-2起偏和检偏起偏和检偏马吕斯定律马吕斯定律6起偏和检偏起偏和检偏7证证:0NM将将A0分解成分解成A0cos A0sin A0A0cos A0sin 设：透射光强设：透射光强I，入射光强入射光强I0马吕斯定律马吕斯定律8例：例：有两块偏振片有两块偏振片A和和B,偏振化方向的夹角为偏振化方向的夹角为600。(1)入射光入射光是是自然光自然光,设偏振片无吸收设偏振片无吸收,求穿过求穿过A和和B后的透射光与入射后的透射光与入射光的光强比光的光强比;(2)入射光是入射光是线偏振光线偏振光,振动方向与第一块偏振振动方向与第一块偏振片的偏振化方向的夹角为片的偏振化方向的夹角为300,求穿过求穿过A,B后透射光与入射光后透射光与入射光的光强比的光强比;(3)如果偏振片的如果偏振片的吸收吸收系数为系数为0.1,再求再求(2)的结果的结果.N1N2600I0I1I2解解:(1)自然光通过偏振片自然光通过偏振片A,光强光强被吸收一半被吸收一半,有有:9光的偏振现象在技术中有很多应用。例如光的偏振现象在技术中有很多应用。例如拍摄水下的景物或展览橱窗中的陈列品的照拍摄水下的景物或展览橱窗中的陈列品的照片时，由于水面或玻璃会反射出很强的反射片时，由于水面或玻璃会反射出很强的反射光，使得水面下的景物和橱窗中的陈列品看光，使得水面下的景物和橱窗中的陈列品看不清楚，摄出的照片也不清楚如果在照相不清楚，摄出的照片也不清楚如果在照相机镜头上加一个偏振片，使偏振片的偏振化机镜头上加一个偏振片，使偏振片的偏振化方向与反射光的偏振方向垂直，就可以把这方向与反射光的偏振方向垂直，就可以把这些反射光滤掉，而摄得清晰的照片；些反射光滤掉，而摄得清晰的照片；10 拍摄玻璃窗内的物体时，用偏拍摄玻璃窗内的物体时，用偏振片去掉反射光的干扰振片去掉反射光的干扰 偏振片的应用偏振片的应用11.汽车夜间行车时为避免对方汽车灯光晃眼以保证汽车夜间行车时为避免对方汽车灯光晃眼以保证行驶安全，可以在所有汽车的车窗玻璃和车灯前装上行驶安全，可以在所有汽车的车窗玻璃和车灯前装上偏振片。偏振片。.偏振片可用于制成偏光太阳偏振片可用于制成偏光太阳镜。镜。此外，还有此外，还有消除车灯眩光、立体电影消除车灯眩光、立体电影等等。等等。与水平方向成与水平方向成角，而且向同一方向倾斜的偏振片。角，而且向同一方向倾斜的偏振片。两个偏振化方向互相垂直的偏振片两个偏振化方向互相垂直的偏振片交叉的太阳镜片不透光交叉的太阳镜片不透光观看立体电影的眼镜片是两个偏观看立体电影的眼镜片是两个偏振片组成。振片组成。12立体电影和偏振立体电影和偏振 你看过立体电影吗？你知道它的道理吗？它就是应用光的你看过立体电影吗？你知道它的道理吗？它就是应用光的偏振现象的一个例子：在观看立体电影时，观众要戴上一副特偏振现象的一个例子：在观看立体电影时，观众要戴上一副特制的眼镜，这副眼镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片这制的眼镜，这副眼镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片这样，从银幕上看到的景象才有立体感如果不戴这副眼镜看，样，从银幕上看到的景象才有立体感如果不戴这副眼镜看，银幕上的图像就模糊不清了这是为什么呢？银幕上的图像就模糊不清了这是为什么呢？这要从人眼看物体说起人的两只眼睛同时观察物体，不这要从人眼看物体说起人的两只眼睛同时观察物体，不但能扩大视野，而且能判断物体的远近，产生立体感这是由但能扩大视野，而且能判断物体的远近，产生立体感这是由于人的两只眼睛同时观察物体时，在视网膜上形成的像并不完于人的两只眼睛同时观察物体时，在视网膜上形成的像并不完全相同，左眼看到物体的左侧面较多，右眼看到物体的右侧面全相同，左眼看到物体的左侧面较多，右眼看到物体的右侧面较多，这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的前后、远近，较多，这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的前后、远近，从而产生立体视觉从而产生立体视觉 13要看到立体电影，要在每架电影机前装一块要看到立体电影，要在每架电影机前装一块偏振片，它的作用相当于起偏器从两架放偏振片，它的作用相当于起偏器从两架放映机射出的光，通过偏振片后，就成了偏振映机射出的光，通过偏振片后，就成了偏振光左右两架放映机前的偏振片的透振方向光左右两架放映机前的偏振片的透振方向互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直这两束偏振光投射到银幕上向也互相垂直这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众处，偏振方向不改变再反射到观众处，偏振方向不改变观众用上述的偏振眼镜观看，每只眼睛只看到相应的偏振光图像，即观众用上述的偏振眼镜观看，每只眼睛只看到相应的偏振光图像，即左眼只能看到左机映出的画面，右眼只能看到右机映出的画面，这样左眼只能看到左机映出的画面，右眼只能看到右机映出的画面，这样就会像直接观看物体那样产生立体感觉这就是立体电影的原理就会像直接观看物体那样产生立体感觉这就是立体电影的原理立体电影立体电影是用两个镜头如人眼那样从两个不同方向同时拍摄下景物的是用两个镜头如人眼那样从两个不同方向同时拍摄下景物的像，制成电影胶片在放映时，通过两台放映机，把用两台摄影机拍下像，制成电影胶片在放映时，通过两台放映机，把用两台摄影机拍下的两组胶片同步放映，使这略有差别的两幅图像重叠在银幕上这时如的两组胶片同步放映，使这略有差别的两幅图像重叠在银幕上这时如果用眼睛直接观看，看到的画面是模糊不清的果用眼睛直接观看，看到的画面是模糊不清的14i n1n28-3反射和折射光的偏振反射和折射光的偏振实验发现实验发现:反射光和折射光一般都是部分反射光和折射光一般都是部分偏振光偏振光,反射光中垂直于入射面反射光中垂直于入射面的光振动占优的光振动占优.折射光中平行于折射光中平行于入射面的光振动占优入射面的光振动占优.n1n2i0 当当i为某一入射角为某一入射角i0时，时，反射光成为完全偏振光反射光成为完全偏振光。布儒斯特定律布儒斯特定律15两个相关结论两个相关结论1.入射角为入射角为i0时，折射光与反射光垂直时，折射光与反射光垂直。证：证：2.n1水水n2玻璃玻璃i0所以，光从玻璃向水界面入射时的布儒斯特所以，光从玻璃向水界面入射时的布儒斯特角就是光从水向玻璃界面入射时的折射角。角就是光从水向玻璃界面入射时的折射角。光从水向玻璃界面入射时的布儒斯特角为光从水向玻璃界面入射时的布儒斯特角为i0，问光从玻璃向水界面入射时的布儒斯特角，问光从玻璃向水界面入射时的布儒斯特角为多少？为多少？n1n2i0 16玻璃堆玻璃堆(折射起偏折射起偏)光从空气射向玻璃光从空气射向玻璃线偏振光线偏振光178-4光的双折射光的双折射 一束入射光经某些晶体折射后可分成两束光线一束入射光经某些晶体折射后可分成两束光线的现象称为的现象称为双折射双折射。1.寻常光和非常光寻常光和非常光n1n2irore(各向异各向异性晶体性晶体)自然光自然光o光光e光光寻常光（寻常光（o o光光）：）：遵从折射定律遵从折射定律非常光（非常光（e e光光）:一般不遵从折射定律一般不遵从折射定律折射面与入射面不一定重合。折射面与入射面不一定重合。18用偏振片检查用偏振片检查o光和光和e光，发现它们都是光，发现它们都是线偏振光线偏振光，但振动，但振动方向不一样，为了便于描述方向不一样，为了便于描述o光和光和e光的偏振情况及其相互光的偏振情况及其相互关系，需要引入几个与晶体有关的概念。关系，需要引入几个与晶体有关的概念。（1）光轴光轴o光在晶体中各方向上速度相同光在晶体中各方向上速度相同,折射率折射率n=c/u相同相同;e光各向速度不同光各向速度不同,折射折射率不同率不同.在晶体中有一个确定的在晶体中有一个确定的方向方向,o光和光和e光沿此方向传播速光沿此方向传播速度相等度相等,折射率相等折射率相等,不发生双折射不发生双折射.o光折射率光折射率:e光折射率光折射率:注意：光轴仅标志一定的方向，并不限于某一条特殊的直线。注意：光轴仅标志一定的方向，并不限于某一条特殊的直线。双折射的实质是双折射的实质是o光和光和e光在晶体中的传播速度不同。光在晶体中的传播速度不同。19给出两个给出两个实验事实实验事实：1)在光轴方向在光轴方向e光的速度等于光的速度等于o光速度，即光速度，即等于等于vo2)在垂直光轴方向在垂直光轴方向o光光e光两个速度差别最大光两个速度差别最大;与与o光速度差别最大的速度记做光速度差别最大的速度记做ve,且且ve为常数。为常数。v0ve并且有以下两种情况并且有以下两种情况（2）负晶与正晶负晶与正晶凡属凡属v0 ne）晶体称为负晶。晶体称为负晶。凡属凡属v0ve，（即，（即n0 ne）晶体称为正晶。晶体称为正晶。定义：定义：为晶体对为晶体对e光的主折射率，即光的主折射率，即e光光在垂直于光轴方向的折射率。在垂直于光轴方向的折射率。20方解石方解石 1.4864 1.6584石英石英 1.5534 1.5443（对波长为（对波长为589.3纳米的钠黄光）纳米的钠黄光）方解石晶体（负晶）方解石晶体（负晶）CaCO3石英（正晶）石英（正晶）21光轴在入射面内光轴在入射面内光轴垂直入射面光轴垂直入射面o光的子波面光的子波面一定是球面一定是球面e光的子波面光的子波面肯定不是球面肯定不是球面是什么样呢是什么样呢?o o光的子波面光的子波面e e光的子波面光的子波面e光的子波面是以光轴为轴的旋转椭球面光的子波面是以光轴为轴的旋转椭球面v0ne）e光垂直于光轴方向的传播时，光垂直于光轴方向的传播时，ve为常数。为常数。27例：用方解石晶体（负晶体）切成一个截面为正三角形的棱例：用方解石晶体（负晶体）切成一个截面为正三角形的棱镜，光轴方向如图所示。若自然光以入射角镜，光轴方向如图所示。若自然光以入射角i入射并产生双入射并产生双折射，试定性地分别画出折射，试定性地分别画出o光与光与e光的光路与振动方向。光的光路与振动方向。解解对负晶体，对负晶体，(n0ne)则根据折射定则根据折射定律，律，e光的折射角大于光的折射角大于o光的折射角；光的折射角；e光光o光光e光的主平面现垂直图面，所以振动光的主平面现垂直图面，所以振动方向以点表示。方向以点表示。o光的主平面现也光的主平面现也垂垂直图面，所以振动方向以线表示。直图面，所以振动方向以线表示。O光振动方向垂直于光振动方向垂直于O光的主光的主平面。平面。e光振动方向在光振动方向在e光的主平面内。光的主平面内。28（1）.尼科尔棱镜的构造尼科尔棱镜的构造如图取长度适当的方解石晶体如图取长度适当的方解石晶体,将其两端的天然晶面加以适将其两端的天然晶面加以适当研磨当研磨,将晶体剖开将晶体剖开,再用加拿大树胶将剖面粘合构成一长方再用加拿大树胶将剖面粘合构成一长方形棱镜。形棱镜。3.晶体偏振器件起偏晶体偏振器件起偏加拿大树胶加拿大树胶n=1.550光轴光轴e光光方解石方解石no=1.6584ne=1.486429（2）.尼科尔棱镜原理尼科尔棱镜原理利用棱镜的双折射现象利用棱镜的双折射现象,将一束自然光分成寻常光和非常光将一束自然光分成寻常光和非常光,然然后利用全反射原理把寻常光反射到棱镜侧壁上后利用全反射原理把寻常光反射到棱镜侧壁上,只让非常光通过只让非常光通过棱镜棱镜,从面而获得一束振动方向固定的线偏振光。从面而获得一束振动方向固定的线偏振光。O光光e光光e光光加拿大树胶加拿大树胶n=1.550光轴光轴e光光方解石方解石no=1.6584ne=1.4864O光光被吸收!全反射全反射 a)当光线由光密介质进入光疏介质，而角度大于临介角 C。b)折射率 n 的介质的临介角 C公式：30 利用利用晶体的二向色性晶体的二向色性，可获得，可获得线偏振光线偏振光。光轴光轴e光光电气石电气石光轴光轴某些晶体某些晶体（如：电气石）（如：电气石）对对o o光和光和e e光的吸收有很大差异，这光的吸收有很大差异，这叫晶体的二向色性叫晶体的二向色性。4.晶体的二向色性和偏振片晶体的二向色性和偏振片一般晶体对一般晶体对o o光和光和e e光的吸收光的吸收性能相同，而且吸收很少性能相同，而且吸收很少最常用的偏振片最常用的偏振片,利用二向色性很强的细微晶体物质的涂层制利用二向色性很强的细微晶体物质的涂层制成成.这种偏振片制造工艺简单这种偏振片制造工艺简单,成本低成本低,且面积可以做的很大且面积可以做的很大,重量又轻重量又轻,因此具有很大实用价值因此具有很大实用价值315.椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光当两个当两个同频率相互垂直的同频率相互垂直的线偏振光合成时，根据它们的相位线偏振光合成时，根据它们的相位差和振幅决定了其合成结果为圆偏振，或为椭圆偏振。差和振幅决定了其合成结果为圆偏振，或为椭圆偏振。两个同频率的相互垂直的分运动位移表达式两个同频率的相互垂直的分运动位移表达式消时间参数，得消时间参数，得合运动一般是在合运动一般是在2A1 1 (x 向向)、2A2 2(y 向向)范围内的一个椭圆。范围内的一个椭圆。椭椭圆圆的的性性质质(方方位位、长长短短轴轴、左左右右旋旋 )在在 A1、A2确确定定之之后后,主要决定于主要决定于 =20-10 。32(1)f20-f10=0,两个分振动同相位，得两个分振动同相位，得在任一时刻离开坐标原点位移为：在任一时刻离开坐标原点位移为：(2)f20-f10=p,两个分运动反相位，得两个分运动反相位，得几种特殊情况：几种特殊情况：33(3)f20-f10=p/2，得得(4)f20-f10=3p/2，仍然得仍然得这是坐标轴为主轴的椭圆，质点这是坐标轴为主轴的椭圆，质点的轨迹是顺时针旋转。的轨迹是顺时针旋转。与与(3)(3)相同，只是质点的轨迹相同，只是质点的轨迹沿逆时针旋转。沿逆时针旋转。34几种特殊情况：几种特殊情况：35(1)椭圆偏振光椭圆偏振光和和圆偏振光圆偏振光的获得方法的获得方法 d双折射晶片双折射晶片C C 单色单色自然光自然光偏振片偏振片P P1 1偏振化方向偏振化方向光轴方向光轴方向椭圆偏振光椭圆偏振光a.波片波片(又称又称相位延迟片相位延迟片)波片波片是是按一定要求切割（例如按一定要求切割（例如光轴平行光轴平行于于表面表面）的的双折射双折射晶体薄片。晶体薄片。透过双折射晶片后，透过双折射晶片后，o o光和光和e e光的相位差为光的相位差为36透过双折射晶片后，透过双折射晶片后，o o光和光和e e光的相位差为光的相位差为o o光和光和e e光叠加后仍为线光叠加后仍为线偏振光偏振光；o o光和光和e e光叠加后成为光叠加后成为椭圆椭圆偏振光偏振光。四分之一波片四分之一波片o o光和光和e e光的光程差光的光程差37圆偏振光圆偏振光的获得的获得 o o光光和和e e光光的的振幅振幅，与，与晶片光轴晶片光轴和入射的和入射的线偏振光振线偏振光振动方向动方向的的夹角夹角 有关：有关：AAoAe 光轴光轴P四分之一波片四分之一波片d双折射晶片双折射晶片C C 单色单色自然光自然光偏振片偏振片P P1 1偏振化方向偏振化方向光轴方向光轴方向椭圆偏振光椭圆偏振光38（3 3）椭圆偏振光与圆偏振光的检偏椭圆偏振光与圆偏振光的检偏用四分之一波片和偏振片用四分之一波片和偏振片P 可区分出可区分出入射光是入射光是 自然光或圆偏振光自然光或圆偏振光 部分偏振光部分偏振光或或椭圆偏振光椭圆偏振光d偏振片偏振片P P偏振化方向偏振化方向入射光入射光圆偏振光通过旋转一周的检偏器，光强并无变化，就圆偏振光通过旋转一周的检偏器，光强并无变化，就象自然光一样。只用检偏器无法区分圆偏振和自然光象自然光一样。只用检偏器无法区分圆偏振和自然光39 (1)(1)自然光与圆偏振光的区别自然光与圆偏振光的区别结论：以入射光方向为轴转动偏振片光强无变化。结论：以入射光方向为轴转动偏振片光强无变化。IoI1偏振片偏振片自然光自然光四分之一波片四分之一波片I2自然光自然光当入射光是自然光时：当入射光是自然光时：40I1线偏振光线偏振光P偏振片偏振片I2结结论论：以以入入射射光光方方向向为为轴轴转转动动偏偏振振片片光光强强有有变变化化，出出现最大光强和消光现象。现最大光强和消光现象。当入射光是圆偏振光时：当入射光是圆偏振光时：IoC圆偏振光圆偏振光四分之一波片四分之一波片41 (2)(2)部分偏振光与椭圆偏振光的区别部分偏振光与椭圆偏振光的区别当入射光是部分偏振光时：当入射光是部分偏振光时：IoI1偏振片偏振片部分偏振光部分偏振光四分之一波片四分之一波片I2部分偏振光部分偏振光结结论论：以以入入射射光光方方向向为为轴轴转转动动偏偏振振片片光光强强有有变变化化，但但无消光现象。无消光现象。42P偏振片偏振片I1线偏振光线偏振光C四分之一波片四分之一波片I2Io椭圆偏振光椭圆偏振光结结论论：以以入入射射光光方方向向为为轴轴转转动动偏偏振振片片光光强强有有变变化化，出出现最大光强和消光现象。现最大光强和消光现象。当入射光是椭圆偏振光时：当入射光是椭圆偏振光时：光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置43