1、趙言誠趙言誠趙言誠趙言誠趙言誠趙言誠太陽光本身并不是偏振光，但當它穿過大氣層，受到大氣分子或塵埃等顆太陽光本身并不是偏振光，但當它穿過大氣層，受到大氣分子或塵埃等顆粒的散射后，便變成了部分偏振光。根據天空偏振光的圖形，就可以確定粒的散射后，便變成了部分偏振光。根據天空偏振光的圖形，就可以確定太陽的位置。蜜蜂的偏光導航儀是在頭部的復眼中。它的復眼是由太陽的位置。蜜蜂的偏光導航儀是在頭部的復眼中。它的復眼是由63006300只只小眼組成的，每只小眼里有小眼組成的，每只小眼里有8 8個作輻射狀排列的感光細胞，蜜蜂就是靠這個作輻射狀排列的感光細胞，蜜蜂就是靠這些小眼來感受天空偏振光的。些小眼來感受天空

2、偏振光的。 趙言誠趙言誠從不同的方向看雙折射的寶石，有機會看到從不同的方向看雙折射的寶石，有機會看到 不同深淺的顏色，甚至不同顏色。切磨專家不同深淺的顏色，甚至不同顏色。切磨專家 在選擇寶石的臺面方向時，要顧及其不在選擇寶石的臺面方向時，要顧及其不 同的色澤，選擇顏色最美麗的方向作為臺同的色澤，選擇顏色最美麗的方向作為臺 面。面。紅寶石（含鉻或鐵紅寶石（含鉻或鐵) 貓眼石貓眼石 趙言誠趙言誠化學成分:AL2O3，三氧化二鋁結晶晶系:三方晶系晶體形狀:六方雙錐和菱面體加六方柱物理性質:摩氏硬度計9:級（僅次于鉆石）比重:4.00左右折射率:1.762 - 1.770雙折射率:0.008化學成份：

3、氧化鋁鈹(Beryllium Aluminate, BeAl2O4)晶系：多是Orthorhombic Twin 晶系；三個晶系孿生，產生一種六方對稱的外貌硬度：8.5 (僅次于紅、藍寶)比重：3.71透明度：高至不透明折射率：1.74 至 1.75雙折射：0.009趙言誠趙言誠eoo光（尋常光）光（尋常光）遵守折射定律遵守折射定律e光（非常光）光（非常光）不遵守折射定律不遵守折射定律所謂所謂o光和光和e光，只在雙折射晶體的內部才有意義，射出晶體光，只在雙折射晶體的內部才有意義，射出晶體以后，就無所謂以后，就無所謂o光和光和e光了。光了。用檢偏器來考察從晶體射出的兩光束時，就會發現它們都用檢偏

4、器來考察從晶體射出的兩光束時，就會發現它們都是線偏振光。是線偏振光。 趙言誠趙言誠7878o o102102o o光軸光軸 天然方解石晶體是一六天然方解石晶體是一六面棱體面棱體, ,每一面都是菱形每一面都是菱形, ,大大角約為角約為102102o o, , 小角約為小角約為7878o o. . 六面體中有兩個相對的分別六面體中有兩個相對的分別由三個鈍角圍成的頂角由三個鈍角圍成的頂角, , 連連接這兩個頂角接這兩個頂角, , 與連線平行與連線平行的方向既是方解石光軸的方的方向既是方解石光軸的方向向. .趙言誠趙言誠：o光光光軸光軸o光的光的主平面主平面e光光光軸光軸e光的光的主平面主平面o光光的

5、振動方向垂直于的振動方向垂直于o光的主平面；光的主平面；e光光的振動方向平行于的振動方向平行于e光的主平面。光的主平面。當當o o光和光和e e光的主平面相互平行時光的主平面相互平行時, ,兩光的振動互相垂直兩光的振動互相垂直. .趙言誠趙言誠當入射面和主截面重合一致時，當入射面和主截面重合一致時，e光的偏折依然在入射面內；當光的偏折依然在入射面內；當 入射面和主截面不一致時，則入射面和主截面不一致時，則e光射線就可能不在入射面內。光射線就可能不在入射面內。o光光 的偏折總在入射面內。的偏折總在入射面內。尋常光（尋常光（o光）：光）：(1) 是振動面垂直與自己的主平面的線偏振光是振動面垂直與自

6、己的主平面的線偏振光;(2) 符合折射定律和反射定律符合折射定律和反射定律; (3) 沿各個方向折射率相同沿各個方向折射率相同(no), 傳播速度相同傳播速度相同.非常光非常光(e光光):是振動面平行于自己的主平面的線偏振光是振動面平行于自己的主平面的線偏振光;一般不符合折射定律一般不符合折射定律,在垂直于光軸的方向傳播時符合在垂直于光軸的方向傳播時符合折射定律折射定律.沿不同的方向折射率不同沿不同的方向折射率不同, 傳播速度不同傳播速度不同.沿光軸的方沿光軸的方向折射率和速度為向折射率和速度為no與與o光相同光相同.沿垂直于光軸的方向沿垂直于光軸的方向的折射率稱為的折射率稱為ne. no 和

7、和ne成為晶體的主折射率。成為晶體的主折射率。趙言誠趙言誠晶體可分為正晶和負晶晶體可分為正晶和負晶. ne no的晶體的晶體, 叫做正晶體叫做正晶體. 如石英如石英. ne no的晶體的晶體, 叫做負晶體叫做負晶體. 如方解石如方解石.趙言誠趙言誠光在晶中體波面光在晶中體波面yz光軸光軸xyeo otvotveeotvetvo 光軸光軸O-xyz是方解石晶體內的三維坐標是方解石晶體內的三維坐標, t=0時刻自原點發出的光振動時刻自原點發出的光振動, 在在t=t時刻時刻, o光振動傳到以光振動傳到以v0t為半徑的球面上為半徑的球面上. 因此因此 ,o光的波面圖是球面光的波面圖是球面. e光波面圖

8、是長軸為光波面圖是長軸為vet, 短軸為短軸為vot, 在光軸方向上外切球面的橢球面在光軸方向上外切球面的橢球面.趙言誠趙言誠正晶體正晶體eyz光軸光軸xyeotvetvotve 光軸光軸tvo趙言誠趙言誠 將單軸晶體切成的有一定厚度的晶體片，使其光軸平行于表面，叫做將單軸晶體切成的有一定厚度的晶體片，使其光軸平行于表面，叫做波片當光垂直通過波片時，在波片內分解為波片當光垂直通過波片時，在波片內分解為o光光e光，因在晶體內垂直光，因在晶體內垂直于光軸傳播，所以于光軸傳播，所以o光光e光的傳播速度不同，這樣，傳播到波片的后表面光的傳播速度不同，這樣，傳播到波片的后表面o光光e光就有了附加的相位差

9、光就有了附加的相位差波片產生的相位差與波片的波片產生的相位差與波片的d,no和和 ne有關有關.)(dnneo光程差光程差: :方解石方解石趙言誠趙言誠o o光光e e光的相位差為：光的相位差為：.)(2dnneo若若 表示表示o o光落后光落后. .若若 表示表示o o光超前光超前. .tEEtEEeeoocoscos00tEEtEEeeoocoscos00光軸E0E0eE0o經過波片經過波片趙言誠趙言誠,2)(2kdnneoeonnkd經過波片經過波片)2cos(cos00ktEEtEEeeoo趙言誠趙言誠,) 12()(2kdnneo即即)()212(eonnkd時時, ,稱為二分之一波

10、片稱為二分之一波片. .oAeA) 12(coscos00ktEEtEEeeoo經過波片經過波片趙言誠趙言誠,22)(2kdnneoeonnkd)412(時時, ,稱為四分之一波長片稱為四分之一波長片. . 當線偏振光入射到當線偏振光入射到 /4/4片時，出射光為橢圓偏振或圓偏振片時，出射光為橢圓偏振或圓偏振光。相應地，當橢圓偏振或圓片真光入射到適當的光。相應地，當橢圓偏振或圓片真光入射到適當的 /4/4片后，片后，出射光可以轉變為線偏振光。出射光可以轉變為線偏振光。)212(coscos00ktEEtEEeeoo經過波片經過波片趙言誠趙言誠線偏振光通過線偏振光通過l/4波片后將變波片后將變為

11、橢圓為橢圓(圓圓)偏振光偏振光圓或主軸與波片光軸平行的圓或主軸與波片光軸平行的正橢圓偏振光通過正橢圓偏振光通過l/4波片后波片后可變為線偏振光可變為線偏振光趙言誠趙言誠橢圓與圓偏振光的檢偏橢圓與圓偏振光的檢偏 用四分之一波片和偏振片用四分之一波片和偏振片P P 可區分出自然光和圓偏振可區分出自然光和圓偏振光或部分偏振光和橢圓偏振光光或部分偏振光和橢圓偏振光. . 自然光在晶體（自然光在晶體（波片波片）內產生的）內產生的o o光和光和e e光雖然同頻率光雖然同頻率且振動方向相互垂直，但它們之間無固定的位相差，這樣且振動方向相互垂直，但它們之間無固定的位相差，這樣的光不能合成橢圓偏振光。的光不能合

12、成橢圓偏振光。檢偏器檢偏器趙言誠趙言誠 四分之一波片四分之一波片圓偏振光圓偏振光自然光自然光自然光自然光線偏振光線偏振光 偏振片（轉動）偏振片（轉動）線偏振光線偏振光 I不變不變線偏振光線偏振光I變變, 有消光有消光以入射光方向為軸以入射光方向為軸 四分之一波片四分之一波片橢圓偏振光橢圓偏振光部分偏振光部分偏振光線偏振光線偏振光 偏振片（轉動）偏振片（轉動）線偏振光線偏振光I變變, 有消光有消光 部分部分偏振光偏振光光軸平行最大光強或最小光強方向放置或光軸平光軸平行最大光強或最小光強方向放置或光軸平行橢圓偏振光的長軸或短軸放置行橢圓偏振光的長軸或短軸放置線偏振光線偏振光I變變, 無消光無消光趙

13、言誠趙言誠光軸光軸晶體波片晶體波片P1P2eAeA2oA2ooAA1P1P21、P1 P2sincoscossincossin1212AAAAAAooee趙言誠趙言誠cos12sincos2)(221222222AAAAAPIoeoe，干涉相消，暗條紋。，即當：，干涉相長，亮條紋。，即當：kdnnkkdnnkeoeo22) 12(1222它們之間的相位差：它們之間的相位差：dnneo2投影投影晶體雙折射晶體雙折射趙言誠趙言誠P1 AAoAeA2oA2eP2光軸2、P1 P2212212sinsincoscosAAAAAAooee它們之間的相位差：dnneo2晶體雙折射晶體雙折射cos2sin2

14、12sin211coscossin2sincoscos2)(22212221221221222222AAAAAAAAPIoeoe趙言誠趙言誠，干涉相消，暗條紋。，即當：，干涉相長，亮條紋。，即當：122) 12(222kdnnkkdnnkeoeo當當P1 P2滿足亮條紋條件時，滿足亮條紋條件時， P1 P2為暗條紋為暗條紋當當P1 P2滿足暗條紋條件時，滿足暗條紋條件時， P1 P2為亮條紋為亮條紋兩種情況互補，旋轉第二個偏振片，從兩種情況互補，旋轉第二個偏振片，從P1 P2到到P1 P2觀察的觀察的明暗互補明暗互補趙言誠趙言誠 克爾效應克爾效應:某些各向同性的透明介質（如非晶體和液體），某些

15、各向同性的透明介質（如非晶體和液體），在外電場的作用下，顯示出雙折射現象，稱為克爾效應。在外電場的作用下，顯示出雙折射現象，稱為克爾效應。外加電場破壞溶液的各向同性，產生各向異性，產生雙折外加電場破壞溶液的各向同性，產生各向異性，產生雙折射，光軸方向平行于電場方向；射，光軸方向平行于電場方向；22bEnEnnneo即：P1P2Eeo趙言誠趙言誠經過長度為經過長度為l的電場區，克爾效應產生的附加相位差為：的電場區，克爾效應產生的附加相位差為：22222VmKKlElbEbK為克爾常數，單位為，其中令 透過透過P2的光強：的光強：22212212cos12sincos12sin)(KlEAAPIK

16、ldEdUKlEPIKlEPIE221)(2; 0)(02半，對應的外加電壓：為：極大，此時的外加電場時，時，當：趙言誠趙言誠當電壓在此值與零值間變換時，克爾盒可使光路通、斷，故可用作電光當電壓在此值與零值間變換時，克爾盒可使光路通、斷，故可用作電光開關。若克爾盒的電極與調制信號電壓相接，則通過開關。若克爾盒的電極與調制信號電壓相接，則通過P2的光強將隨信號的光強將隨信號電壓的變化而改變，這時的克爾盒就是一個光調制器。由于克爾效應幾電壓的變化而改變，這時的克爾盒就是一個光調制器。由于克爾效應幾乎沒有延遲時間，隨外電場變化的響應時間極短乎沒有延遲時間，隨外電場變化的響應時間極短, 可達可達10

17、9 s，因此可制，因此可制成高速光閘和光調制器等，用于高速攝影、電影電視以及激光通訊等領成高速光閘和光調制器等，用于高速攝影、電影電視以及激光通訊等領域。域。 旋光物質旋光物質 d物質的旋光性物質的旋光性 某些物質（如石英、氯酸鈉、糖的水溶液、酒石酸溶液、某些物質（如石英、氯酸鈉、糖的水溶液、酒石酸溶液、松節油等）具有能使線偏振光的振動面發生旋轉的性質，稱松節油等）具有能使線偏振光的振動面發生旋轉的性質，稱為為旋光性旋光性 (optical activity)。趙言誠趙言誠振動面振動面旋轉的角度：旋轉的角度： a 旋光率旋光率(specific rotation)，它它取決于入射光的波長和旋光

18、取決于入射光的波長和旋光物質的性質。物質的性質。dOyxEyEx任何一個圓偏振光和橢圓偏振光可以分解成兩個同頻，振動方向相互垂直，并且有穩定的相位關系的線偏振光。tEEtEEyyxxcoscos00趙言誠趙言誠EELERORL任何線偏振光可以分解成兩個同頻的左任何線偏振光可以分解成兩個同頻的左右旋、振幅相等、并且有穩定的相位關右旋、振幅相等、并且有穩定的相位關系的圓偏振光。系的圓偏振光。00002)()(cos)(RRLLRLRLttEEEtEtEtEtE，在旋光晶體中左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的傳播速度不同，在旋光晶體中左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的傳播速度不同，即兩種偏振態的折射率不同；即兩

19、種偏振態的折射率不同；RRLLRLvcnvcnvv，即：趙言誠趙言誠左旋偏振光和右旋偏振光經過厚度為左旋偏振光和右旋偏振光經過厚度為d的晶體，兩者經歷的光的晶體，兩者經歷的光程不同，相應地產生不同的相位落后：程不同，相應地產生不同的相位落后：dndnRRLL22對于圓偏振光，相位落后意味著光矢量轉角的倒退，即：對于圓偏振光，相位落后意味著光矢量轉角的倒退，即：dndnRRLL22相位落后相位落后轉角倒退轉角倒退dndnRRRLLL22趙言誠趙言誠ERELEA晶體前表面晶體前表面ERELEB晶體后表面晶體后表面LR晶體后表面合成的線偏振光矢量為晶體后表面合成的線偏振光矢量為 L、 R夾角的平分線

20、，相夾角的平分線，相對于前表面的線偏振光矢量旋轉了對于前表面的線偏振光矢量旋轉了 趙言誠趙言誠，稱右旋晶體，右旋角度：當，稱左旋晶體，左旋角度：當dnnnndnnnnRLRLRRLLRLRLRL2121趙言誠趙言誠法拉第法拉第 （Michael Faraday，17911867） 偉大的英國物理學家、化學家。法拉第出身貧寒，自學成才，工作勤奮，熱心科普工作，是實驗大師。他發現了電磁感應現象、法拉第電解定律和磁致旋光效應，提出了力線和場的概念，主張自然界的各種力相互有關，反對超距作用的觀點。J.C.麥克斯韋電磁場理論是在法拉第工作的基礎上建立的。 法拉第的主要著作有電學實驗研究、化學和物理學實驗

21、研究、日記。 1845年8月,法拉第研究電和磁對偏振光的影響,9月用過去研制的重玻璃做實驗，發現原來沒有旋光性的重玻璃在強磁場的作用下產生旋光性，使偏振光的偏振面發生偏轉。這是人類第一次認識到電磁現象和光現象之間的關系。磁致旋光效應后來稱為法拉第效應。 趙言誠趙言誠在兩個透振方向正交的偏振片之間沿光的傳播方向放置一個螺線管，將待測的透明介質樣品插入螺線管內。單色平行自然光通過起偏器M后變為線偏振光，如果螺線管未接通電源，透明介質樣品無旋光性，透射光將完全被檢偏器N所阻隔。螺線管接通電源后，介質樣品在強磁場的作用下而產生旋光性，因而將有光從偏振片N射出。這時若將N旋轉某個角度，則會重新產生消光,

22、 這說明從介質樣品出射的光仍是線偏振光，只是其振動面相對于入射線偏振光的振動面轉過了角度。實驗表明，磁致旋光效應中振動面的旋轉角正比于光在介質中通過的距離l，正比于介質內的磁感應強度B，即= vlB 式中v是比例系數，稱為維爾德常量，決定于介質的性質，也與入射光的波長有關。趙言誠趙言誠實驗還表明，磁致旋光性與天然旋光性是有差別的。天然旋光性的右旋和左旋取決于物質的結構，與光的傳播方向無關；磁致旋光性的右旋和左旋與光相對于磁場的傳播方向有關，若光沿磁場方向傳播是左旋的，則逆著磁場方向傳播變為右旋。所以，線偏振光往返兩次通過天然旋光物質，振動面將恢復到原先的方位。而線偏振光往返兩次通過磁致旋光物質

23、情況就不同了，如果光沿磁場方向通過，振動面左旋了角，那么當它沿原路徑逆著磁場返回時，物質變為右旋的，振動面又旋轉了角，這樣往返兩次通過同一物質振動面共旋轉了2角。利用磁致旋光的這種性質，可以制成光隔離器、光調制器等器件。趙言誠趙言誠 什么樣結構的物質才能使偏光的振動方向發生旋轉呢？在了解這個問題之前，我們首先討論手性（Chirality）的概念。1848年，法國科學家巴斯德（Louis pasteur）為了獲得酒石酸鹽結晶方面的數據，在重復前人的實驗時，發現了一種有趣的現象：沒有旋光性的酒石酸是由兩種結構極為相似的兩種晶型混合而成，它們的結構非常相似，但不相同，也不能完全重疊，就好像人的左右手

24、一樣，外表非常相似，但不能完全重疊。他用放大鏡和鑷子細心地將這兩種晶體分離，分別溶于水后測其旋光度，發現它們均具有旋光度，如果將它們混合后，則旋光度為零。趙言誠趙言誠經過對這兩種晶體分析，他發現它們之間的關系就好像人的左右手一樣，一種結構是另一種結構的鏡像。即它們互為實物與鏡像關系。實物與其鏡像不能重疊的特性，稱為物質的，具有手性的分子叫手性分子。凡具有手性的分子都有旋光性。沒有手性的分子沒有旋光性，因此，物質的手性是判斷其是否具有旋光性的必要條件。趙言誠趙言誠 旋光性物質的旋光度的大小決定于該物質的分子結構，并與測定時溶液的濃度、盛液的長度、測定溫度、所用光源波長等因素有關。為了比較各種不同旋光性物質的旋光度的大小，一般用比旋光度來表示。比旋光度與從旋光儀中讀到的旋光度關系如下。 旋光度C 旋光性物質的濃度（g/ml），若為純液體，則為其密度 l 盛液管的長度（dm） T 測定時溶液的溫度 光源的波長，因通常用鈉光為光源，故也可用D表