大学物理教学课件：4_8偏振.ppt

§4 光的双折射光的双折射提纲提纲• 光的双折射现象光的双折射现象• 寻常光（寻常光（O光）和非常光（光）和非常光（e光）光）• 用惠更斯原理解释光的双折射现象用惠更斯原理解释光的双折射现象• 双折射现象的应用双折射现象的应用§5 椭圆偏振光、圆偏振光、偏振光的检验椭圆偏振光、圆偏振光、偏振光的检验• 椭圆偏振光、圆偏振光的产生椭圆偏振光、圆偏振光的产生•• 渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜•• 尼科耳棱镜尼科耳棱镜•• 二向色性人造偏振片二向色性人造偏振片•• 波晶片波晶片作业：作业：3-12、、3-141§4 光的双折射光的双折射• 光的双折射现象光的双折射现象SS’方解石晶体方解石晶体实验二实验二在在各向同性的介质各向同性的介质中中S’是点物是点物S 的象的象天然的方解石天然的方解石晶体是双折射晶体晶体是双折射晶体实验一实验一双双 折折 射射 现现 象象折折 射射 现现 oe入入射射光光束束晶体晶体观察屏观察屏当晶体当晶体旋转时旋转时实验三实验三2AB方解石晶体的三个棱边与其光轴成等角方解石晶体的三个棱边与其光轴成等角MM’N’N沿光轴方向入射的光束，通过晶体不分为两束光，沿光轴方向入射的光束，通过晶体不分为两束光，仍沿入射方向行进。

它是一个特征方向仍沿入射方向行进它是一个特征方向具有一个光轴的晶体，称为具有一个光轴的晶体，称为单轴晶体单轴晶体例如：方解石、石英等例如：方解石、石英等具有两个光轴的晶体，称为具有两个光轴的晶体，称为双轴晶体双轴晶体例如：云母、硫黄等例如：云母、硫黄等光轴光轴光轴光轴3*若若沿光轴方向入射沿光轴方向入射，，O光和光和e光具有相同光具有相同的折射率和相同的的折射率和相同的波速，波速，因而无双折因而无双折射现象• 寻常光（寻常光（O光）和非常光（光）和非常光（e光）光）•• 寻常光寻常光：对于晶体一切方向都具有相同的折射率（即波速：对于晶体一切方向都具有相同的折射率（即波速 相同），且在入射面内传播，简称它为相同），且在入射面内传播，简称它为O光 •• 非常光非常光：它的折射率（即波速）随方向而变化，并且不一：它的折射率（即波速）随方向而变化，并且不一 定在入射面内传播，简称为定在入射面内传播，简称为 e 光 O光振动方向垂直于该光线（在晶体中）与光轴组成的平面光振动方向垂直于该光线（在晶体中）与光轴组成的平面。

e 光振动方向平行于该光线（在晶体中）与光轴组成的平面光振动方向平行于该光线（在晶体中）与光轴组成的平面若若光轴在入射面内光轴在入射面内，，实验发现：实验发现：O光、光、 e光光均在入射面内传播，均在入射面内传播，且且振动方向相互垂直振动方向相互垂直4• 用惠更斯原理解释光的双折射现象用惠更斯原理解释光的双折射现象惠更斯原理：惠更斯原理：O 光光在晶体内任意点所引起的波阵面是球面在晶体内任意点所引起的波阵面是球面即具有各向同性的传播速率即具有各向同性的传播速率e 光在晶体内任意点所引起的波阵面是旋转椭球面光在晶体内任意点所引起的波阵面是旋转椭球面沿光轴方向与沿光轴方向与O光光具有相同的速率具有相同的速率e 光波面O光波面光轴方向光轴方向负晶如方解石负晶如方解石CaCO3e 光波面O光波面光轴方向光轴方向正晶如石英正晶如石英SiO25 e 光光在垂直于光轴方向上的传播速率在垂直于光轴方向上的传播速率 ，在该方向的折射率，在该方向的折射率 e 光光在其它方向上的折射率在在其它方向上的折射率在 之间之间 凡属凡属 ，即，即 晶体称为负晶。

晶体称为负晶凡属凡属 ，即，即 晶体称为正晶晶体称为正晶方解石方解石 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为简略以下为简略以下使用使用6•• 平行光倾斜入射，光轴在入射面内，平行光倾斜入射，光轴在入射面内，光轴与晶体表面斜交光轴与晶体表面斜交光轴光轴AFEeO•eO•如果光轴不在入射面内，球面和椭球面相切的点，如果光轴不在入射面内，球面和椭球面相切的点，就不会在入射面内，则就不会在入射面内，则 O光、光、e 光振动方向并不光振动方向并不相互垂直相互垂直7•• 平行光垂直入射，光轴在入射面内，平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴与晶体表面斜交光轴与晶体表面斜交光轴光轴AEO•eBF’E’•F出射两束偏振方向相互垂直的线偏光出射两束偏振方向相互垂直的线偏光8•• 平行光垂直入射，光轴在入射面内，平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴平行晶体表面光轴平行晶体表面光轴光轴AE•eBF’E’•FO具有相互垂直具有相互垂直的偏振方向的偏振方向出射光沿同方向传播出射光沿同方向传播9• 双折射现象的应用双折射现象的应用•• 尼科耳棱镜尼科耳棱镜ACNM光轴在光轴在ACNM平面内方向与平面内方向与AC成成480，入射面取，入射面取ACNM面面•两块特殊要求加工的直角方解石，如图：两块特殊要求加工的直角方解石，如图：加拿大树胶的折射率加拿大树胶的折射率n=1.55，，O光入射角大于光入射角大于其临界角其临界角arc sin(1.55/1.658)=69012’，，被全反射，被全反射，在在CN处为涂黑层所吸收。

处为涂黑层所吸收出射偏振方向在出射偏振方向在ACNM平面平面内的偏振光内的偏振光e•760O方解石的折射率方解石的折射率n0=1.658, 22068010•• 渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜••eO两块直角方解石光轴相互垂直，如图：两块直角方解石光轴相互垂直，如图：ABDCO方解石方解石••• •光从光密到光疏光从光密到光疏折射光要偏离法线折射光要偏离法线e••在棱镜在棱镜BCD中，传播的中，传播的O光和光和e光波面与入射面光波面与入射面相截成两个同心圆相截成两个同心圆eOO 光振动垂直光振动垂直于光线和光轴于光线和光轴组成的平面组成的平面e 光振动平行光振动平行于光线和光轴于光线和光轴组成的平面组成的平面11•• 二向色性人造偏振片二向色性人造偏振片二向色性晶体也具有各向异性、双折射的特点，同二向色性晶体也具有各向异性、双折射的特点，同时有选择吸收的性能例如，电气石对时有选择吸收的性能例如，电气石对O 光的吸收光的吸收能力特别强，结果就只剩下能力特别强，结果就只剩下e 光穿出晶体光穿出晶体12•• 波晶片（波片）波晶片（波片）厚度为厚度为d ,光轴与两个表面光轴与两个表面平行的双折射晶体薄片称平行的双折射晶体薄片称为为波片波片。

当自然光垂直入射时，当自然光垂直入射时，由晶体出射的是振动方由晶体出射的是振动方向相互垂直的线偏振光，向相互垂直的线偏振光，它们沿原入射方向同向它们沿原入射方向同向传播，但传播速度不同传播，但传播速度不同对于方解石晶体对于方解石晶体e光比光比O光快光快对于石英晶体对于石英晶体e光比光比O光慢光慢•eO光轴光轴d•石英石英13O光和光和e光两者到达波片的另一光两者到达波片的另一表面时，必然有相位差表面时，必然有相位差设设 为为O光超前于光超前于e光的相位，则光的相位，则其光程差为：其光程差为：*若若O光和光和e光的相位差为：光的相位差为： ，光程差是波长的整数倍光程差是波长的整数倍该波片称为波长片或全波片该波片称为波长片或全波片*若若O和和e光相位差为光相位差为 ，光程差是半波长的奇数倍光程差是半波长的奇数倍称为二分之一波长片称为二分之一波长片或半波片或半波片则则则则•eO光轴光轴d•石英石英14*若若O和和e光相位差为光相位差为 ，光程差是半波长的奇数倍光程差是半波长的奇数倍。

称为二分之一波长片或半波片称为二分之一波长片或半波片称为四分之一波长片称为四分之一波长片则则则则波片的作用是使通过它的波片的作用是使通过它的O光光和和e光有相位上的光有相位上的改变，因此也称为改变，因此也称为相位延迟器相位延迟器在偏振光分析在偏振光分析中有着独特的作用中有着独特的作用若若O光和光和e光的相位差为：光的相位差为： ，光程差是波长的整数倍光程差是波长的整数倍该波片称为波长片或全波片该波片称为波长片或全波片方解石方解石*若若O和和e光相位差为光相位差为 ，光程差是，光程差是 波长的奇数倍波长的奇数倍15§5 椭圆偏振光、圆偏振光、偏振光的检验椭圆偏振光、圆偏振光、偏振光的检验• 椭圆偏振光、圆偏振光的产生椭圆偏振光、圆偏振光的产生椭圆偏振光和圆偏振光都是完全偏振光，椭圆偏振光和圆偏振光都是完全偏振光，均可等效为两个具有均可等效为两个具有恒定相位差、相同振动频率、振动方向相互垂直的线偏振光恒定相位差、相同振动频率、振动方向相互垂直的线偏振光波片可以将垂直入射的线偏光波片可以将垂直入射的线偏光分解成同频率、相互垂直振动分解成同频率、相互垂直振动的的O 光和光和 e光，它们沿同一方光，它们沿同一方向传播，如图。

向传播，如图•e•O光轴光轴d波片厚度波片厚度d 决定决定O 光、光、 e光恒定相位差的大小光恒定相位差的大小因此，可用波片来产生因此，可用波片来产生椭圆偏振光、圆偏振光椭圆偏振光、圆偏振光或改变入射的偏振态或改变入射的偏振态16自然光自然光线偏振光线偏振光偏振片偏振片M晶片晶片C椭圆偏振光椭圆偏振光C'CMA M'• 实验装置实验装置M是起偏器，经它可是起偏器，经它可从自然光中获得垂直从自然光中获得垂直射向波片射向波片C的线偏光的线偏光波片波片C光轴平行于晶体光轴平行于晶体表面，透振方向与光表面，透振方向与光轴方向之间的夹角轴方向之间的夹角  O光和光和e光的相位差为光的相位差为  ：：17M是起偏器，经它可是起偏器，经它可从自然光中获得垂直从自然光中获得垂直射向波片射向波片C的线偏光的线偏光波片波片C光轴平行于晶体光轴平行于晶体表面，透振方向与光表面，透振方向与光轴方向之间的夹角轴方向之间的夹角  垂直射入波片的线偏光，分解成垂直射入波片的线偏光，分解成O光其振动光其振动方向垂直于入射面，垂直光轴；分解成的方向垂直于入射面，垂直光轴；分解成的 e光振动方向平行于入射面，平行于光轴。

光振动方向平行于入射面，平行于光轴入射波片的线偏光的振幅入射波片的线偏光的振幅••  18若若C为为1/4波片，即波片，即 = /2，，且若且若 =450，则从，则从C出射出射圆偏振光圆偏振光若若C为为1/4波片，且波片，且 450、、  900或或00，则，则出射出射椭圆偏振光椭圆偏振光 若若C不不为波长片也不是半波片，即为波长片也不是半波片，即  k  时，时，且且 450、、  900或、或、  00 时，则从时，则从C垂直出射椭圆偏振光垂直出射椭圆偏振光经过波片后，经过波片后，O光和光和e光光的相位差：的相位差：振动合成示意图振动合成示意图19。