高中物理竞赛辅导参考资料之第二十一章光的偏振.ppt

光的偏振本章内容Contentschapter 21acquisition of polarized light by reflection由双折射产生偏振光自然光与偏振光 natural light and polarized light 起偏与检偏 马吕斯定律 polarize and analyze Malus law 由反射和折射获得偏振光 布儒斯特定律acquisition polarized light by birefringence 偏振光的干涉interference of polarized lightand refraction Brewster law 第一节2 1 - 1natural light and polarized light 自然光完全偏振光（又称线偏振光 或平面偏振光）部分偏振光圆偏振光椭圆偏振光第二节polarize and analyze Malus law2 1 - 2偏振器现象模拟起偏和检偏马吕斯定律续上901802703600简例第三节acquisition of polarized light by reflectionand refraction Brewster law 2 1 - 3反射起偏引例布儒斯特定律例题折射起偏布儒斯特窗第四节acquisition polarized light by birefringence 2 1 - 4双折射现象某些透明晶体（如方 解石、石英等）沿不同方 向其光学特性有所不同（ 各向异性）。

一束单色光入射于这 种晶体时会产生两束折射 光，称为双折射现象透过这种晶体去观察 物体，则会看到双重象寻常与非常光续上若用细光束垂 直于晶面入射 不偏折 若转 动晶体，e光 亦转动 若用偏振器检查 ， 都是线偏振光 晶体的光轴方解石、石英、红宝石等晶体，只有一个 光轴方向，称为单轴晶体云母、蓝宝石、橄榄石等晶体，有两个光 轴方向，称为双轴晶体晶体的光轴是晶体中的一个特殊 的方向，在该方向上，o光、e光的传 播速度（大小和方向）相同，即折射 率相等，不产生双折射现象方解石方解石的光轴通过A或B，并 与三个会合钝角的 界面成等角的直线 方向，就是方解石 晶体的光轴方向 （对于严格等棱长的方解 石菱体，即AB连线方向）与此平行通过晶 体的直线都是光 轴方向，常用 表示续上晶体的主截面方 解 石o光和e光都是完全偏振光，其光振动方向 与晶体结构和光入射条件有关先定义两种平面 ：四、o光和e光的振动方向晶体的主截面——含光轴并与某晶面正交的平面 对于某一晶面，主截 面是一系列互相平行 的平面，它们既包含 光轴方向，又与该晶 面正交（含该晶面的 法线方向）109oo71方解石主截面的晶面交线都是 平行四边形，边长随截面位置 各异，但内角有共同特点109oo71某晶面法线方向 光轴方向折射光主平面任意方 向入射一般情 况下这两个 主平面不严 格重合主平面主平面折射光线的主平面——含光轴和晶体内某一 折射线的平面。

主截面内入射若在晶体的主 截面内入射主平面 主平面 晶体主截面三者共面即 都在主截面 和入射面内和主要讨论这种最 基本的入射情况折射光线的主平面——含光轴和晶体内某一 折射线的平面o、e光的振向在晶体主截面内入射iCCO光 振动 垂直于主截面 e光振动 在主截面内方解石晶体主截面O光e光e光O光光线、 都在主截面内 并且都是线偏振光o、e光的波面五、o光和e光的传播速度与折射率假设方解石内有一单色点光源 SO光波速在方解石内波面是球面各向相等光波速在光轴方向等于O光波速在其它方向大于O光波速 在垂直光轴方向波速最大波面是椭圆回旋面回旋轴向为光轴方向主折射率方解石主截面CC光在垂直光轴方向的波速（最大波速）为设 方解石中 O光波速为光在真空中的波速为c则则 O光折射率光在垂直光轴 方向的折射率合称 晶 体的主折射率和对于方解石主折射率简表几种双折射晶体的主折射率晶 体方 解 石白 云 石石 英冰1.6584 1.4864 -0.17201.681 1.500 -0.1811.5443 1.5534 +0.00891.309 1.313 +0.004 的晶体称为负晶体 的晶体称为正晶体对钠黄光(l=589.3nm)o、e光的方向方解石主截面光轴图中入射平行光束中两条光线1，2 ，时刻1到达A，2到达B； 时刻1在晶体内的 和 波面到达图中的圆和椭圆处，2则刚到达 晶面上的D点。

试定性画出晶体内 和 的传播方向切线切线CC的传播方向垂直于 D到圆的切线的传播方向垂直于D到椭圆的切线续上CC若将方解石沿着平行于光轴的方向磨出一个平面 用一平行光束垂直于此平面入射试根据方解石 内 和 的波面特点，定性画出 、O光e光O光e光的传播方向和任一时刻两光束的波阵面作o、e 光波面图 ，e 光最大速 度在垂直光 轴方向 两圆切线为o 光束波阵面两椭圆切线为 e光束波阵面 传播方向相同 速度大小不同 振动相互垂直O光O光e光e光尼科耳棱镜晶面法线方解石主截面光轴六、尼科耳棱镜晶体双折射产生的o光和e光传播方向夹角一般 较小，从晶体出射时两光束互相重叠，难以获得单 一的线偏振宽光束两宽光束重叠能否不让其中的一束光从末端输出 ？续上取长宽比约 3 1 的方解石：晶面 法线主截面切割面光轴AB通过A、B对角并垂直主截面将方解石切成两半再用加拿大树胶（对钠光折射率为1.55）将其按原位粘合先将两端面的倾角按一定要求略加修磨尼科耳棱镜的加工续上方解石主截面 将 71 修磨成 6868光轴胶 = 1.49= 1.66 = 1.55胶具备全反射条件O光 上述设计可保证 大于全反射临界角 只有 从端面输出光切割后再用加拿大树胶粘合ABO光光被涂黑的器壁吸收光71尼科耳棱镜工作原理二向色晶体七、二向色晶体与人造偏振片结果可输出线偏振 光，但带有较深的 黄绿色。

O 光电气石自然光一种典型的二 向色晶体，对在晶 体内光振动相互垂 直的o、e 两光中 的o光有强烈的吸 收作用；而对e 光 的吸收则相对较少 线偏振光e光CC二向色晶体（或二向色性晶体）是一种对两相 互垂直的光振动中之一具有选择性吸收作用的晶体 人造偏振片 偏振片人工制造的一种具有选 择性吸收作用的膜片材料：聚合乙烯醇膜，硫酸碘奎宁晶粒起偏原理：由于在制造过程中是将聚合 乙烯醇膜处于拉伸状态下蒸镀一层 硫酸碘奎宁晶粒，使晶粒沿膜的拉 伸方向定向排列这种膜片具有很 强的二向色性，能选择性地吸收某 一方向的光振动，使透射光成为线 偏振光第五节2 1 - 5interference of polarized light波片双折射晶体一、波片（或波晶片 ） 波片是从双折射单轴晶体 中切割下来的平行平面 薄片，其表面与晶体光 轴方向平行光轴方向波片的主要参数是：波片的厚度 波片的晶体对波长为 的单色 光的主折射率（后面均以方解石波晶片为例）o、e光相位差线偏振光垂直入射到波片后被分解为 和O光e光O光 e光在波 片内传播 方向振动 方向振 幅波 速光 程沿Z轴沿Z轴Oe 两光透出波片时的光程差相位差波片Z1/4与1/2波片线偏振光垂直入射到波片后被分解为 和O光e光O光 e光在波 片内传播 方向振动 方向振 幅波 速光 程沿Z轴沿Z轴Oe 两光透出波片时的光程差相位差波片ZOe 两光透出波片时的光程差波片相位差Z四分之一波片（四分之一波长片 或 片 ） 光程差是 的奇数倍 相位差是 的奇数倍的波片称为二分之一波片（二分之一波长片 或 片 ） 光程差是 的奇数倍 相位差是 的奇数倍的波片称为垂直振动合成二、椭圆偏振光与圆偏振光两个频率 相同、相互 垂直振动的 合成，在一 般情况下是 一个斜椭圆 。

正椭圆条件二、椭圆偏振光与圆偏振光两个频率 相同、相互 垂直振动的 合成，在一 般情况下是 一个斜椭圆 两个相互垂直 的振动，若频率 相同、振幅不同 、相位差为 （或 的奇 数倍），则合成 以分振动为长、 短轴的正椭圆椭圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光的获得偏振片MM 透振方向波片光轴方向自 然 光椭圆的扁率取决于 的大小 等于零或 45 的偶数倍时为直线 等于45 的奇数倍时为圆，得圆偏振光线偏 振光Z椭圆偏振光由两束振向正交、 同频率、相位差恒 定的线偏振光合成偏振光的干涉三、偏振光的干涉参与合成椭圆偏振光的两束线偏振光， 频率相同，相位差恒定，但其振动方向相 互垂直，不能产生干涉若将椭圆偏振光垂直入射于一偏振片， 则参与合成椭圆偏振光的两束线偏振光， 只有平行于偏振片透振方向的光振动分量 才能透过偏振片，因此，透射光是两束具 备振动方向相同、频率相同、相位差恒定 条件的线偏振光，可以产生干涉相位差的确定线偏振光偏振片2 相干线偏振光Z透振方向偏振片1M透振 方向M自然光椭圆偏振光波 片光轴方向由偏振片2透出的两相干线偏振光的相位差：为 向 投影的附加相位差处于 异侧 ，否则为零MMMM两种典型情况两种典型情况 MMMM相位差M M两偏振片透振方向正交满足时为相长干涉，且得最强。

满足时为相消干涉， 且为零M M两偏振片透振方向平行相位差满足时为相长干涉，最强满足 时为相消干涉，单色光入射，这两种典型情况所得的光干涉结果明暗相 反；若用白光入射，两者输出的光色近乎于互补色的相位差恰好相差对同一波晶片 ，若用单色光入射偏振片1偏振片2波片输出光分布对同一波片用单色光入射若两偏振 片的透振方 向相互垂直 时由于某波 片的双折射 引起的偏振 光干涉结果 获得最强将两偏振 片的透振方 向转到相互 平行状态时 则光干涉结 果为最弱若波片厚度不均匀，输出光场中将会出现明暗干涉条纹，用上述两 种状态去观察这种干涉条纹，其明暗分布也是相反的白光的色偏振对同一波片用白光入射1白光2白光相位差两偏振片透振方向正交两偏振片透振方向平行相位差白光中的各种波长不可能同时满足同一情况的相长干涉或相消干涉条件1若 满足 的相长干涉条 件，对于 则满足相 消或 减弱 条件 的相长干涉条件 ，对于 则 满足相 消条件 2若 满足此类现象称为 色 偏 振人为双折射四、人为双折射现象及其应用某些各向同性媒质本不产生双折射现象 ，但受外界作用（如受机械力、电场、磁场 等）时，变成各向异性媒质，并产生双折射 现象。

还有些各向异性媒质，受到外界作用时 ，会改变其双折射性质这种在人为的条件下，使媒质产生或改变 其双折射的现象，称为人为双折射现象光弹性效应偏振片2有机玻 璃模型偏振片1施 压应力双折射显示的偏振光干涉条纹施压方向形成光轴双折射与应力成正比用于应力分析研究光 弹 性 效 应机械应力作用产生的各向异性应 力 双 折 射克尔效应电 致 双 折 射1. 克尔效应偏振片1偏振片2在装有平行板电容器的透明盒内 ，充以某种特定的液体（如硝基 苯）接入极间电压， 使两极板间产生电 场，液体变成各向 异性媒质，并产生 双折射，系统末端 有光输出，其响应 极快，信号频率可 高达 10 Hz ,能用 作高速“光阀门”10泡克耳斯效应偏振片1电 致 双 折 射2. 泡克耳斯效应透 明 电 极透 明 电 极压 电 晶 体KDP偏振片2KDP（磷酸二氢钾）是一种无对称中心 的晶体，沿某一特定方向施加电场后，在 晶体内能对某种方向的入射光产生双折射KDP的双折射与外 加场强成正比系统 的输出光强，可由加 在晶体电极线路上的 信号电压调制，其响 应极为迅速，信号频 率可高达3 10 Hz 除可作高速光阀 门外，还可作高速电 光调。