1、5.1 5.1 光的偏振狀態光的偏振狀態5.2 5.2 線偏振光的獲得與檢驗線偏振光的獲得與檢驗5.3 5.3 反射和折射光的偏振反射和折射光的偏振 5.4 5.4 雙折射現象雙折射現象5.5 5.5 橢圓偏振光和圓偏振光橢圓偏振光和圓偏振光5.6 5.6 偏振光的干涉偏振光的干涉 5.7 5.7 人工雙折射人工雙折射5.8 5.8 旋光現象旋光現象第第5 5章章 光光 的的 偏偏 振振5.1 光的偏振狀態光的偏振狀態一一. . 完全偏振光完全偏振光1.1.線偏振光線偏振光光的偏振性說明了光的偏振性說明了: :光是橫波。光是橫波。面對光的傳播方向看面對光的傳播方向看空間各點光矢量的振動方向在同

2、一平面內。空間各點光矢量的振動方向在同一平面內。播播傳傳方方向向振振E動動面面偏振偏振: : 振動方向對傳播方向的不對稱性振動方向對傳播方向的不對稱性線偏振光可沿兩個相互垂直的方向分解：線偏振光可沿兩個相互垂直的方向分解：EEyEx yx sinEEy cosEEx 表示法：表示法： 光振動垂直板面光振動垂直板面光振動平行板面光振動平行板面線偏振光可以看成線偏振光可以看成兩個相互垂直的同頻率的兩個相互垂直的同頻率的簡諧光振動的合成，它們的相位差是簡諧光振動的合成，它們的相位差是 ,xy02.2.圓偏振光圓偏振光光矢量的大小不變，但其方向繞傳播方向光矢量的大小不變，但其方向繞傳播方向勻速轉動，這

3、樣的光稱為圓偏振光勻速轉動，這樣的光稱為圓偏振光。 y yx z傳播方向傳播方向 /2xE 0迎著光的傳播方向看迎著光的傳播方向看, , 任一固定點（任一固定點（z為定為定值）處，值）處， 的矢端軌跡是一個右旋的圓。的矢端軌跡是一個右旋的圓。E右旋圓偏振光右旋圓偏振光 隨隨 z 的變化的變化E2/ xy 2/ xy 右旋（迎光看）右旋（迎光看）左旋（迎光看）左旋（迎光看）xyExEy 0 xyExEy 0EE圓偏振光是怎么產生的呢？圓偏振光是怎么產生的呢？頻率相同、傳播方向一致、振動方向相互垂頻率相同、傳播方向一致、振動方向相互垂直、相位差直、相位差 、且振幅相等的兩束線偏、且振幅相等的兩束線

4、偏振光可以疊加成圓偏振光。振光可以疊加成圓偏振光。2/ 右旋圓偏振光的合成。右旋圓偏振光的合成。反之，反之， 線偏振光線偏振光則可以看成是兩束頻率相同、則可以看成是兩束頻率相同、相位相同、相位相同、振幅相同、振幅相同、傳播方向亦相同的傳播方向亦相同的左、左、 3.3.橢圓偏振光橢圓偏振光橢圓偏振光與圓偏振光完全類似，區別僅在于橢圓偏振光與圓偏振光完全類似，區別僅在于002yxxyEE ，但是，但是或或 20, , xy xy 不同，橢圓形狀、旋向也不同。不同，橢圓形狀、旋向也不同。 = 3 /2 = 5 /4 = 7 /4 = = /2 = /4 = 0yx = 3 /4回顧回顧二二. . 自

5、然光自然光 大量振幅相同、各種振動方向都有、大量振幅相同、各種振動方向都有、彼彼此沒有固定相位關系的此沒有固定相位關系的光矢量的組合叫非光矢量的組合叫非偏振光或自然光。偏振光或自然光。我們設想把每個波列的光矢量都沿我們設想把每個波列的光矢量都沿x、y 軸分解，軸分解，然后將所有波列光矢量的然后將所有波列光矢量的 x分量疊加起來，成為分量疊加起來，成為總光波光矢量的總光波光矢量的 x分量分量Ex.y yx xz z自然光的表示法自然光的表示法總光強總光強 非相干疊加非相干疊加自然光可以分解為兩個振自然光可以分解為兩個振動方向互相垂直的、等振動方向互相垂直的、等振幅的、不相干的線偏振光幅的、不相干

6、的線偏振光。用同樣辦法得到總光波光矢量的用同樣辦法得到總光波光矢量的 y 分量分量EyyxII 有有 注意：注意：這里的這里的 Ex 和和 Ey 是獨立的振動是獨立的振動, , 無固定相位關系；無固定相位關系； EyEx不相干yxEE yxyxIIIII22 或或三三. . 部分偏振光部分偏振光表示法：表示法： 自然光和完全偏振光的混合，就構成了自然光和完全偏振光的混合，就構成了部分部分最常討論的部分偏振光可看成是自然最常討論的部分偏振光可看成是自然光和線偏振光的混合，光和線偏振光的混合，偏振光。偏振光。分解分解非相干非相干平行板面的平行板面的光振動較強光振動較強 垂直板面的垂直板面的光振動較

7、強光振動較強反射光反射光就是這種部分偏振光，就是這種部分偏振光，天空的散射光和水面的天空的散射光和水面的它可以分解如下：它可以分解如下：四四. . 偏振度偏振度pnptpIIIIIP Ip 部分偏振光中包含的完全偏振光的強度部分偏振光中包含的完全偏振光的強度It 部分偏振光的總強度部分偏振光的總強度In 部分偏振光中包含的自然光的強度部分偏振光中包含的自然光的強度完全偏振光（線、圓、橢圓）完全偏振光（線、圓、橢圓） P = 1自然光（非偏振光）自然光（非偏振光） P = 0部分偏振光部分偏振光 0 P ve) 晶體可分為兩類：晶體可分為兩類：負晶體是負晶體是橢球包球。橢球包球。ne eno o

8、 ( (ve evo o) )， 如石英、冰等。如石英、冰等。ne eno o(vevo)，vo tve t光軸光軸 負晶體負晶體 (vo vo) )為例為例oo但速度上是分開的，但速度上是分開的，這仍是雙折射。這仍是雙折射。 以惠更斯原理為依據的惠更斯作圖法以惠更斯原理為依據的惠更斯作圖法o e2. 光軸平行晶體表面，且垂直入射面光軸平行晶體表面，且垂直入射面 晶體晶體 光軸光軸reivotve eto ectoooncir vsinsinnreeeci vsinsin自然光斜入射自然光斜入射在這種特殊的情況下，對在這種特殊的情況下，對e 光也可以用光也可以用折射定律。折射定律。r03. 光

9、軸與晶體表面斜交，自然光垂直入射光軸與晶體表面斜交，自然光垂直入射 e方解石方解石光光軸軸o此時此時e光的波面不再與其波射線垂直了。光的波面不再與其波射線垂直了。ooee晶體晶體光光軸軸這正是前面演示的情形。這正是前面演示的情形。注意：注意：5.5 橢圓偏振光和圓偏振光橢圓偏振光和圓偏振光一一. . 晶體起偏器件晶體起偏器件 1. 1. 晶體的二向色性、晶體偏振器晶體的二向色性、晶體偏振器 某些晶體對某些晶體對o o光和光和e e光的吸收有很大差異，光的吸收有很大差異， 例如，電氣石對例如，電氣石對o光有強烈吸收，光有強烈吸收， 光軸光軸e e光光電氣石電氣石光軸光軸對對e光光吸收很弱，吸收很

10、弱，用它就可以產生線偏振光。用它就可以產生線偏振光。這叫晶體的這叫晶體的二向色性二向色性。2. 偏振棱鏡偏振棱鏡利用偏振棱鏡可獲得高質量的線偏振光利用偏振棱鏡可獲得高質量的線偏振光 格蘭格蘭- -湯姆遜湯姆遜 偏振棱鏡偏振棱鏡光軸光軸方解石方解石oe吸收涂層吸收涂層i光軸光軸方解石方解石加拿大樹膠加拿大樹膠 (n = 1.55)no (1.6584)(1.6584)n (1.55)(1.55)ne(1.4864)(1.4864) 對棱鏡是對棱鏡是o o光，光，是光密是光密光疏，光疏，i 臨界角，臨界角，o 光全反射了，光全反射了，e 光可通過。光可通過。 沃拉斯頓沃拉斯頓 偏光分束棱鏡偏光分束

11、棱鏡光從棱鏡光從棱鏡1 1進入棱鏡進入棱鏡2 2時，時，由于光軸轉過了由于光軸轉過了90900 0光光疏疏光光密密, ,折射角入射角折射角入射角 得到分開的二束線偏振光得到分開的二束線偏振光no (1.6584)(1.6584)ne(1.4864)(1.4864)光密光密光疏光疏, ,射角入射角射角入射角12方解石方解石方解石方解石光軸光軸光軸光軸eooeo光變成光變成e光光e光變成光變成o光光二二. . 晶體相移器件，圓和橢圓偏振光的起偏晶體相移器件，圓和橢圓偏振光的起偏1. 1. 晶片晶片 相位延遲片相位延遲片晶片晶片是是光軸平行表面的晶體薄片光軸平行表面的晶體薄片y dxAAoAe線偏振

12、光線偏振光光軸光軸 AAoAe 光軸光軸P， sinAAo 振幅關系：振幅關系： cosAAe 橢圓偏振光橢圓偏振光d光軸光軸晶片晶片從晶片出射的從晶片出射的兩束光由于出現相位差，兩束光由于出現相位差，而合成為一束而合成為一束橢圓偏振光。橢圓偏振光。 通過厚為通過厚為d 的晶片，的晶片，o、e光產生相位差為：光產生相位差為： 2 dnnoe），（eoAA 4 23,2 則出射光為圓偏振光。則出射光為圓偏振光。若若且且y dxAAoAe線偏振光線偏振光光軸光軸 橢圓偏振光橢圓偏振光d光軸光軸晶片晶片或圓偏振光或圓偏振光 2. 波（晶）片波（晶）片 （1 1）四分之一波片）四分之一波片4 線偏振光

13、線偏振光圓偏振光圓偏振光2 , 0 線偏振光線偏振光線偏振光線偏振光可從線偏振光獲得橢圓或圓偏振光可從線偏振光獲得橢圓或圓偏振光（或相反）（或相反）（是對某個確定波長（是對某個確定波長 而言的）而言的）波片厚度滿足波片厚度滿足4 dnnoe2 240， 線偏振光線偏振光橢圓偏振光橢圓偏振光（2）二分之一波片二分之一波片2 dnnoe可使線偏振光振動面轉過可使線偏振光振動面轉過2 2 角度角度 Ao入入Ao出出A入入A出出Ae入入= Ae出出光軸光軸（3）全波片全波片2 dnnoe三三. . 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可區分出可區分出自

14、然光自然光和和或或部分偏振光部分偏振光和和橢圓偏振光。橢圓偏振光。圓偏振光，圓偏振光， 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，有消光變，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，有消光變，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光軸平行最大光強或最小光強方向放置線偏振光線偏振光I變變, 無消光無消光或光軸平行橢圓偏振光

15、的長軸或短軸放置或光軸平行橢圓偏振光的長軸或短軸放置5.6 偏振光的干涉偏振光的干涉一一. . 偏振光干涉裝置偏振光干涉裝置偏振化方向偏振化方向偏振片偏振片P2 單色自然光單色自然光偏振片偏振片P1偏振化方向偏振化方向 d晶片晶片C光軸方向光軸方向二二. . 偏振光干涉的分析偏振光干涉的分析1. 1. 振幅關系振幅關系AoA2oP2P1CA1AeA2e 在在P2 后：后：相干相干在在P1 后：后： sin1AAo cos1AAe cossincos12 AAAoooeeAAAA212cossinsin 屏屏通過晶體通過晶體C后：后：oecnnd 2此兩束光合成為一束橢圓偏振光此兩束光合成為一束

16、橢圓偏振光再通過再通過P2 后：后：2 oecnnd 2. 相位關系相位關系（若（若P1、P2夾角小于夾角小于 ，則無附加相位差則無附加相位差 ）), 2 , 1(,2122 knnkdkoe 相長干涉相長干涉 oennkdk )12( 相消干涉相消干涉 若單色光入射，若單色光入射，則屏上為等厚條紋。則屏上為等厚條紋。且且d不均勻，不均勻，于某種顏色干涉相消，而呈現它的于某種顏色干涉相消，而呈現它的互補色，互補色，三三. . 色偏振色偏振若白光入射，且晶片若白光入射，且晶片d d 均勻，均勻，若若d不均勻，則屏上出現彩色條紋。不均勻，則屏上出現彩色條紋。紅色紅色（656.2 nm）相消相消如：

17、如：藍色藍色（485.4nm）相消相消則：屏上則：屏上由由這叫（顯）這叫（顯）色偏振色偏振。綠色綠色（492.1nm）黃色黃色（585. 3 nm） 色偏振是檢驗材料有無雙折射效應的靈色偏振是檢驗材料有無雙折射效應的靈敏方法，用顯微鏡觀察各種材料在白光下的敏方法，用顯微鏡觀察各種材料在白光下的色偏振，可以分析物質內部的某些結構色偏振，可以分析物質內部的某些結構 偏光顯微術。偏光顯微術。 5.7 人工雙折射人工雙折射人為地造成各向異性，而產生雙折射。人為地造成各向異性，而產生雙折射。一一. . 光彈效應光彈效應應力應力各向異性各向異性SFknnoe 在一定應力范圍內：在一定應力范圍內：光彈效應也

18、叫光彈效應也叫應力雙折射效應。應力雙折射效應。 v 各向不同各向不同 n各向不同各向不同FFP1P2 dS干涉干涉有機玻璃有機玻璃C22 SFdknndoe 各處各處 不同不同各處各處 不同不同出現干涉條紋，出現干涉條紋，SF 模模型型的的光光彈彈圖圖象象吊吊鉤鉤的的光光彈彈圖圖象象 變變 變變干涉情況變干涉情況變。SF 二二. . 電光效應電光效應電光效應電光效應也叫也叫電致雙折射效應。電致雙折射效應。1.1.克爾效應克爾效應 （18751875年）年）45 P2盒內充某種液體，如硝基苯（盒內充某種液體，如硝基苯（C C6 6H H5 5NONO2 2）l+-克爾盒克爾盒dP145 不加電場

19、不加電場液體各向同性液體各向同性P P2 2不透光；不透光； 加電場加電場液體呈單軸晶體性質，液體呈單軸晶體性質，光軸平行電場強度光軸平行電場強度 P2透光。透光。E222dUkkEnnoe 二次電光效應二次電光效應k 克爾常數，克爾常數，U 電壓電壓克爾效應引起的相位差為：克爾效應引起的相位差為： 2 222dkUllnnoek 則產生則產生2218V/m1044. 1 k硝基苯硝基苯，若若 l = 3cm，d = 0.8cm，對對 = 600nm的黃光的黃光，時，時， k 克爾盒相當半波片，克爾盒相當半波片， P2透光最強透光最強 。V1024 U。時的電壓時的電壓 k= 可作為可作為光開

20、關光開關（響應時間（響應時間 1010 9 9s s），）， 克爾盒的應用：克爾盒的應用：克爾盒的缺點：克爾盒的缺點：和加數萬伏的高電壓，和加數萬伏的高電壓，用于高速攝影、用于高速攝影、激光通訊、激光通訊、光速測距、光速測距、脈沖激光系統脈沖激光系統硝基苯有毒，硝基苯有毒，需要極高的純度需要極高的純度故現在很少用。故現在很少用。易爆炸，易爆炸，2. 2. 泡克爾斯效應泡克爾斯效應（18931893年）年）。電光晶體電光晶體+。-P1P2KK 泡克爾斯盒泡克爾斯盒光傳播方向與電場平行，光傳播方向與電場平行， 21PP 電極電極K 和和K透明，透明，晶體是單軸晶體，晶體是單軸晶體， 不加電場不加電

21、場 P2 不透光。不透光。 加電場加電場晶體變雙軸晶體晶體變雙軸晶體了雙折射效應了雙折射效應原光軸方向附加原光軸方向附加 P2 透光。透光。光軸沿光軸沿光傳播方向。光傳播方向。no o光在晶體中的折射率；光在晶體中的折射率；泡克爾斯效應引起的相位差：泡克爾斯效應引起的相位差：rUnop32 線性電光效應線性電光效應r電光常數；電光常數； 時，時，P2透光最強。透光最強。 p U 電壓。電壓。超高速開關（響應時間小于超高速開關（響應時間小于1010 9 9s s），），數據處理數據處理顯示技術，顯示技術，應用：應用：三三. . 磁致雙折射磁致雙折射科頓科頓 穆頓效應：穆頓效應： 某些透明液體在磁

22、場某些透明液體在磁場H H作用下變為各向異性，作用下變為各向異性，H HC C2Hnnoe 二次效應二次效應需要很強的磁場才能觀察到。需要很強的磁場才能觀察到。性質類似于單軸晶體，光軸平行磁場。性質類似于單軸晶體，光軸平行磁場。5.8 5.8 旋光現象旋光現象一一. . 物質的旋光性物質的旋光性 除石英外，氯酸鈉、乳酸、松節油、糖的除石英外，氯酸鈉、乳酸、松節油、糖的 旋光物質旋光物質 a 旋光率旋光率 lla 18111811年，法國物理學家年，法國物理學家阿喇果阿喇果（AragoArago）其振動面能發生旋轉，其振動面能發生旋轉，發現，發現，線偏振光沿光軸方向通過石英晶體時，線偏振光沿光軸

23、方向通過石英晶體時，這稱為這稱為旋光現象。旋光現象。光軸光軸水溶液等也都具有水溶液等也都具有旋光性。旋光性。實驗表明，旋光率實驗表明，旋光率 a 與旋光物質和入射波與旋光物質和入射波長有關長有關. .石英對石英對 = 589nm的黃光，的黃光，a = 21.75 /mm；而對而對 = 408nm的紫光，的紫光，a = = 48.9 /mm 。 有有左旋左旋和和右旋右旋. .物質的旋光性是和物質原子排列結構有關的，物質的旋光性是和物質原子排列結構有關的，二二. . 菲涅耳對旋光性的解釋菲涅耳對旋光性的解釋 線偏振光可看作是同頻率、等振幅、有確定線偏振光可看作是同頻率、等振幅、有確定相位差的左相位差的左( (L) )、右、右( (R) )旋圓偏振光的合成。旋圓偏振光的合成。RLRLnn vv 光通過旋光物質后，初相位光通過旋光物質后，初相位EE