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1、光波：特定频率范围内的电磁波。,光矢量(light vector)：电磁波的电场强度 矢量。,电磁波是横波，光矢量振动方向与光传播方向垂直。,对传播方向不对称,对传播方向对称,横波,纵波,10-3 光的偏振,腰横扁担进不了城门,横波有偏振(polarization)现象 纵波无偏振问题,通光方向,因原子发光的“随机性”，光矢量各向随机均匀分布，振幅相等，称为自然光(natural light)。,各向光振动无固定相位关系。,1-1. 自然光,线偏振光(linearly polarized light)：光矢量只沿一个固定方向振动,部分偏振光(partial polarized light)：,
2、一方向光振动较另其他方向占优势。线偏振光与自然光的混合。,振动面：光振动方向与传播方向构成的平面,1-2. 偏振光,2. 偏振片 马吕斯定律,偏振片(polaroid)：能吸收某一方向的光振动，而只让与之垂直方向上的光振动通过的一种透明薄片。,允许通过的光振动方向。,偏振片的用途：,“起偏”和“检偏”,起偏,检偏,(1) 自然光强 I0 线偏振光强 :,光强不变无消光,(2) 线偏振光强 I0 线偏振光强,(3)部分偏振光(混合) 线偏振光,有两次消光现象,有两次极大极小,马吕斯定律(Malus law),光强为I0的线偏振光，透过偏振片后，透射强度为：,证明：,解:,例题 已知自然光通过两个
3、偏振化方向相交60的偏振片，透射光强为I1，今在这两偏振片之间再插入另一偏振片，它的偏振化方向与前两个偏振片的偏振化方向均夹30角，则透射光强为多少？,偏振片的应用,立体电影,流水画,液晶显示器,反射和折射的偏振,3. 反射光、折射光及散射光的偏振性,1、反射光为光振动垂直入射面较强的部分偏振光 2、折射光为光振动平行入射面较强的部分偏振光,线偏振光,布儒斯特角(polarizting angle )：,布儒斯特定律: (Brewster law) 自然光以布儒斯特角入射到两不同介质表面，其反射光为线偏振光，光振动垂直于入射面。,玻璃堆,布儒斯特角,线偏振光,外腔式激光器谐振腔,应用举例：,激
4、光器谐振腔,使用偏振镜拍摄的物品,none,max,偏振镜,看出什么效果吗？,使用圆偏振镜（CPL）将水面的反光减至最小,偏振太阳镜,驾驶员戴上偏振太阳镜可以防止马路反射光的炫目。,照相机按上偏振镜可以产生不同的效果。,散射光的偏振,方解石晶体双折射 现象,(CaCO3 ),12-4 光的双折射,一. 光在晶体中的双折射,双折射现象： 一束光进入某种晶体后会出现两束折射光的现象。,检偏器检验表明： o光和e光都是线偏振光。,寻常光线(o光)(ordinary ray) ：恒遵守通常折射定律的光线。,非常光线(e光)(extraordinary ray)：不遵守通常折射定律的光线。,光轴 (op
5、tical axis),在晶体中存在一个特殊的方向，沿该方向不会产生双折射现象，这一方向称为晶体的光轴。,包含光轴和某光线的平面称该光线的主平面。,主平面 (principal plane),主截面(principal section),包含光轴和晶面法线的平面。,入射光在主截面内时两主平面重合,单轴晶体(uniaxial crystal),双轴晶体(biaxial crystal),方解石 石英 红宝石,云母 硫磺 蓝宝石,主折射率 (principal refractive index),双折射(birefringence)现象的解释,正晶体(positive crystal),负晶体(n
6、egative crystal),几种单轴晶体的折射率（对波长为589.3nm的钠光）,正晶体：石英、冰,负晶体：方解石、电气石、白云石、硝酸钠,正晶体,负晶体,由惠更斯原理解释双折射现象：,无双折射现象,o光和e光都不折射，但速度和折射率不同，所以两波面并不重合。,由惠更斯原理解释双折射现象：,利用纳米技术消除双折射的薄膜,淀粉双折射马耳它十字条纹 （maltese cross）,显微镜下小麦淀粉粒图,o光、e光的一些性质,1. o光、e光传播速度一般不同，但沿光轴方向传播，速度相同（此时无双折射现象）,2. o光、e光均为偏振光，但振动面不同 o光始终在入射面内，在晶体中o光垂直主平面 e
7、光一般不在入射面内，在晶体中e光平行主平面,3. 入射光线在晶体主截面内时（三者合一），o光垂直e光。这是实际应用中常见的现象,4. o光、e光在双折射晶体内部才有意义，射出晶体以后就没有意义了。,弄明白啊,主折射率：o光、e光速度相差最大的折射率,偏振棱镜(polarizing prism),尼科耳棱镜 (Nicol prism),是将天然的方解石晶体按一定的要求加工成两块直角棱镜，然后再用特种树胶把它们粘合起来制成一块斜长方形的光学棱镜。,树胶的折射率：,o光的折射率：,e光的主折射率：,格兰-傅科棱镜(Glan-Foucault prism),格兰-傅科棱镜是尼科耳棱镜的改进型。将一块方
8、解石晶体加工成直角长方体，再切成两个楔型，切开的两部分不用树胶粘合，而代以空气层。,o光对空气层的临界角：,e 光对空气层的临界角：,质元参与两个相互垂直的简谐振动，,点击放大,二. 椭圆偏振光和圆偏振光 波片,两个同频率相互垂直简谐振动的合成：,合成以后为椭圆轨迹方程。,1. 椭圆偏振光和圆偏振光,点击放大,问题：自然光垂直入射双折射晶体表面，投射后 为何不能产生椭圆偏振光？,偏振光,自然光,动画VB,椭圆偏振光 (elliptically polarized light) 光矢量端点在垂直于光传播方向的截面内描绘出椭圆轨迹。检偏器旋转一周，光强两强两弱。,圆偏振光 (circularly
9、polarized light) 光矢量端点在垂直于光传播方向的截面内描绘出圆形轨迹。检偏器旋转一周，光强无变化。,点击图片放大,2. 波片,正椭圆,线偏振光,四分之一波片的最小厚度：,偏振光通过四分之一波片后出射的是正椭圆偏振光。,四分之一波片(quarter-wave plate)：偏振光通过波片后，o光和e 光的光程差等于 4的奇数倍。,正椭圆偏振光,四分之一波片,线偏振光振动方向与四分之一波片的光轴方向成45角时，通过后线偏振光变为圆偏振光。,d,四分之一波片,半波片(half-wave plate)：偏振光通过波片后，o光和e 光的光程差等于 2的奇数倍。,偏振光通过半波片后出射的o
10、光和e光正好反位相，合成后仍是线偏振光，只是振动方向转过了2。,线偏振光,全波片： = 出射光与入射光相同,适当选取厚度d可将线偏振光转化为椭圆偏振光或将椭圆偏振光转化为线偏振光,圆偏振镜（CPL镜）。圆偏振镜是由一片线偏振镜（PL）与一片四分之一波片(为特殊双折射材料)，彼此胶合而成。该四分之一波片的光轴与线偏振镜的偏振光振动方向之间成45夹角。光线自线偏振镜一端射入为正向，自四分之一波片一端射入为反向。正向射向圆偏振镜的自然光，先后通过线偏振镜和四分之一波片后，即成为圆偏振光。,从偏振片P得到的线偏振光经过晶片C后，成为两束相互之间有相位差而振动方向互相垂直的o光和e光。(相位差不等于的整
11、数倍时，构成椭圆偏振光。) 椭圆偏振光再穿过一个偏振片A后，由于偏振片只有一个偏振化方向，所以通过偏振片后，这两束互相垂直的同频率、相位差恒定的光，具有了同一个振动方向，因此这两束光成了相干的偏振光。,三. 偏振光的干涉,表示入射偏振光的光矢量， 和 分别为 在平行和垂直于晶体主截面方向上的分量。 和 表示o光和e光通过偏振片A时,在平行其偏振化方向的分振动，它们就是透过偏振片A的相干光。 若为复色光入射时，晶体对不同波长的光干涉条件各不相同，因此在检偏器后应看到不同的颜色，这种情况，我们称之为色偏振(chromatic polarization)。,色偏振： 当白光照射时，由于偏振光干涉而出
12、现彩色花样的现象。,色偏振,取不同厚度的云母片将它们以各种图案贴在玻璃板上，并将其放在两个用白光照明的偏振片之间，出射光的颜色和亮度会发生变化。旋转上面的偏振片，可呈现彩色斑斓的图案花纹。,四. 光弹效应与旋光现象,有些各向同性的非晶体或液体，受外界的人为因素影响而转变为各向异性，呈现出双折射现象。这种现象称为人为双折射。,1. 光弹性效应(photoelastic effect),某些非晶体物质，在力的作用下发生形变时，将失去非晶体的各向同性的特征而具有晶体的性质，从而也能呈现出双折射现象。,应力 各向异性 v各向不同 n各向不同,在白光照射下，显示出彩色的干涉图样。,不加电场液体各向同性P
13、2不透光,加电场液体呈单轴晶体性质，,光轴平行 P2透光,2. 电光效应(electrooptical effect)(克尔效应) 某些各向同性的非晶体或液体等透明物质，在强电场作用下，能变为各向异性而显示双折射现象。,3. 物质的旋光性(optical activity),旋光现象：偏振光在通过某些物质后，其振动面会以光的传播方向为轴转过一个角度的现象。,左旋物质(left-handed substance)：,旋光物质(optical active substance)：具旋光性的物质,石英晶体、葡萄糖、果糖（右旋）,右旋物质(right-handed substance)：,迎着光线射来
14、的方向观察，振动面按顺时针方向旋转的物质。,振动面按逆时针方向旋转的物质。,旋光度( )： 偏振光通过旋光物质后，其振动面转过的角度。,旋光度与偏振光通过旋光晶体的距离 d 成正比。,称为介质的旋光率,对于旋光溶液：,c 为溶液的浓度,4. 磁致旋光（法拉第旋光效应）,磁旋光玻璃又叫法拉第旋光玻璃，是一种新颖的高科技领域中重要的透明光学功能材料，它能使一束平行于磁场的线偏振光的偏振面发生旋转，磁旋光玻璃广泛地应用于光学、电学、磁学等高科技领域。是高新技术密集产品的核心材料。利用这种材料可以制作光纤通信中的光隔离器，磁光调制器，磁光开关。,磁旋光玻璃,实验表明，磁致旋光度与样品的长度 l 、所加磁感应强度 B 成正比。,V 称为费尔德常量，与物质的性质和光的波长以及温度等有关。,光隔离器,