1
光的偏振 (3)
2
§ 5.6 偏振光的干涉单色自然光通过一个偏振片以后，垂直射在光轴平行于表面的晶片，从晶片出来的是两束传播方向相同、振动方向相互垂直、频率相等、有恒定相位差的线偏振光。
它们能否干涉？
单色自然光 不能干涉！
3
(忽略吸收和其它损耗 )
由振幅矢量图，知：
后面再放一个偏振片 P2,P2后面就可以看到干涉,
通常是让 P1?P2
P2
P1 C
A1
Ae
Ao
A2o A2e
d
晶片 C
偏振片 P2
偏振化方向偏振片 P1
偏振化方向 光轴方向单色自然光
4
201
2
1
02
1
1
c o ss i n
s i n
c o ss i n
c o s
c o s
s i n
AA
AA
A
AA
AA
AA
ee
o
e
o
eAAPP 22021 使干涉衬比度好。可见由振幅矢量图的投影关系知,A20和 A2e的正方向相反，所以有附加相差?.
（若 P1,P2夹角小于?，则无附加相差）。
P2
P1 C
A1
Ae
Ao
A2o A2e
5
∴ 通过 P2 后两束偏振光的相位差为
oe nn
d2
光强 I? A220+A22e+2A20A2ecos
----相长干涉，亮
----相消干涉，暗
12
2
k
k
（ k=1,2,3 ----）
若单色光入射，且 d不均匀，
则屏上出现等厚干涉条纹。
6
若白光入射，而 d 均匀,则屏上由于某种颜色干涉相消，另一些颜色干涉相长，
而呈现它的互补色。
如红色（或蓝色）相消 → 显绿色（或黄色），
这叫（显） 色偏振,
若白光入射，且 d不均匀，
则屏上出现彩色 条纹。
屏
7
例如，色偏振是检验材料有无双折射效应
（即使 n0,ne 相差极小）的灵敏方法。
偏振光的干涉有许多应用，其基本思想是由光的干涉情况反推晶片情况。
8
§ 5.7 人工双折射人工双折射是用人工的方法造成各向异性,
从而获得双折射的现象,。
一、光弹效应（ photoelastic effect）
光弹效应也叫应力双折射效应。
将有机玻璃取代晶片,加力的方向即光轴的方向,
P1 P2?
··
d
F
S
F
干涉有机玻璃
C
9
应力（ F/S） → 各向异性 → 光速 V各向不同
→ n 各向不同，在一定应力范围内,有：
S
Fknn
oe
S
Fdknnd
oe
22
F
S 变→ 变→干涉情况变。
若应力均匀,则观察到均匀的干涉光强,
若应力不均匀,
若各处 F/S不同 → 各处 不同
→ 出现干涉条纹,
10
演示,应力双折射（工字梁）
应力变化大的地方,条纹密 ;
应力变化小的地方,条纹疏,
演示,塑料纸，厚度不同引起的色偏振
★ 检查半圆仪、透镜有无内应力
★ 吊钩内部的应力分布
★ 一层纸,出现某种色偏振
★ 二层纸、三层纸,为什么各层颜色不同？
★ P2 转动,为什么颜色会变？
★ 塑料纸转动,为什么颜色也会变？
11
二、电光效应电光效应也叫 电致双折射效应 。
1,克尔效应 （ kerr effect)
将克尔盒取代晶片的位置,加电场的方向即光轴的方向,
l
+
-
45? 45?P1 P2
克尔盒 d
12
克尔盒内充某种液体 (如 硝基苯 )，
加电场 → 液体各向异性（由于分子定向排列的缘故，呈单轴晶体性质）
光轴 ∥ 通光；
2PE?
不加电场 → 液体恢复各向同性
→ P2不通光（ ）。
21 PP
2kEnn oe有
E — 电场强度,k — 克尔常数对硝基苯 (C6H5NO2)
2218 /1044.1 Vmk
13
经过克尔盒 的两束光的位相差为
2
2
2 22
2
U
d
k
lkEl
lnn oek
它正比于 U2,因此也称为 二次电光效应,
应用,可作光开关（克尔盒的响应时间极短，
每秒能够动作 109次）和光调制器。
用于高速摄影、光测距、激光通讯?
克尔盒有很多缺点：硝基苯有毒,易爆炸，
需极高纯度和高电压，故现在很少用。
14
2,泡克尔斯效应 (pockels effect)
图示为纵向装置
（光传播方向与电场平行）
21 PP?
用 KDP 晶体 (磷酸二氢钾 )取代克尔盒。
电极 K,K’透明。
电光晶体
+ 。。 -
P1 P2K K?
泡克尔斯盒
· ·
15
原来该晶体是单轴晶体，使光轴沿光传播方向，当然没有双折射现象，没有光透过 P2;
加电场 → 晶体变双轴晶体
→ 沿原来的光轴方向产生了附加了双折射效应。有光透过 P2。
-----称为一次电光效应Enn
oe
泡克尔斯盒的响应时间也极短，一般小于 10-9秒，也用作光开关和光调制器，
近年来还用于数据处理，显示技术。
16
光轴平行磁场,且
2Hnn
oe
这种效应很弱，需要很强的磁场才能观察到。
三、磁致双折射（补充）
类似于电场的克尔效应，某些透明液体在磁场 H 作用下变为各向异性，性质类似于单轴晶体。
—— 二次效应。
17
§ 5.8 旋光现象（补充）
一、物质的旋光性：
1811年实验物理学家阿喇果发现，
线偏振光通过某些透明物质时，
其偏振面将旋转一定的角度。
d
偏振片 2
偏振化方向单色自然光 偏振片 1
偏振化方向光轴方向
P2
P’2石英晶片
(不产生双折射 )
（原消光）
（现消光）
18
这种能使线偏振光的振动面发生旋转的性质，
称为 旋光性。
da
a— 旋光率
a 取决于入射光的波长和旋光物质。
旋光物质
d
具有旋光性的物质：如石英、糖的水溶液、
酒石酸溶液、松节油等。
迎着光看，振动面 顺时针转的为右旋物质，
振动面 逆时针转的为左旋物质。
19
二、菲涅耳的解释：
线偏振光可看作是同频率、
等振幅、有确定相位差的左 (L)、右 (R)旋圆偏振光的合成。
RLRL nn
设,入射时 L,R 初相为 0，旋光物质长 d.
LR nn? RL
即
E
EL ER·
o
例如，石英晶体有左旋,右旋两类旋光体,
是因为它的分子的空间排列方式有两类。
20
在出射面上它们的位相，分别比入射面处的位相落后，
02 dn RR
02 dn LL
LR
由图示，有：
看旋转矢量图,
(a)
(b)?
d
EL ER
E
(a) (b)
ELE
R
E
R?L
同一时刻
21
][][ LRLLR
2
1
2
1
dnn LRLR )(][
2
1
)( LR nn
令 —— 旋光率
da所以由上式看出,时，,
即振动面向左旋（对着光看）。
LR nn? 0
22
三、量糖术对溶液
dca
溶液的比旋光率—
溶液的浓度—
溶液的旋光率—
a
c
aca
据此可制成,量糖计,,并发展为,量糖术,。
其他应用：分析化工产品、药剂中的左、右旋光异构体的成分,…
某些液体或溶液有左旋或右旋,是由于其分子本身具有螺旋状结构引起的。
式中
23
天然的蔗糖 (C12H22O11)分子,不论是从甘蔗来还是从甜菜来,都是右旋的。
天然氯霉素药能治病,它是左旋的。
而正好人体所需要的葡萄糖,
其分子也是右旋的。
生物体对 左旋,右旋的物质能够识别并能作出选择。
而人工合成的氯霉素是左旋,右旋各一半,
只有一半有疗效,所以,它的价格只是天然氯霉素的一半。
24
四、磁致旋光（补充）
利用人工方法也可产生旋光性，其中最重要的是 磁致旋光,也称为 法拉第旋转,
是法拉第 1846年发现的。
水、二硫化碳、食盐、乙醇等是磁致旋光物质。
25
BdV
V,费德尔常量
1154 1010~ TmV
磁致旋光效应也能用于光通讯,
若磁场 B是由信号电流 i产生 (或调制 )的,
信号电流 i的变化?磁场 B的变化,
旋转角?变化,
P2通过的光强也变化,
-------这就是光通讯的原理,
d
磁致旋光物质
B
26
对自然旋光物质,振动面的左旋或右旋是由旋光物质本身决定的，与光的传播方向无关：
反射镜入射光
左旋反射镜反射光
左旋
27
对磁致旋光物质,因加了一定方向的磁场，
光沿逆向传播，振动面旋向相反,可以作成光隔离器。
反射镜反射光
右旋
B
反射镜入射光
左旋
B
28
光隔离器令45,则 2 90,
消除反射光的干扰
·· ··
BP M?
磁致旋光物质
29
液晶是介于液态与结晶态之间的一种物质状态。
将某种液晶注入小玻璃盒中，在玻璃表面涂上二氧化锡等透明导电薄膜，玻璃就成为透明电极。
电控双折射现象液晶也有电光效应：
把液晶盒放在两正交偏振片之间，
加电场可由不透光变为透光。
30
动态散射现象注入某种液晶的液晶盒，在未加电场时是透明的。
----用于液晶数字显示技术。
加电场时，因盒内离子和液晶分子在电场作用下互相碰撞，使液晶分子产生紊乱运动，液晶盒变为不透明。
31
光的偏振结束
光的偏振 (3)
2
§ 5.6 偏振光的干涉单色自然光通过一个偏振片以后，垂直射在光轴平行于表面的晶片，从晶片出来的是两束传播方向相同、振动方向相互垂直、频率相等、有恒定相位差的线偏振光。
它们能否干涉？
单色自然光 不能干涉！
3
(忽略吸收和其它损耗 )
由振幅矢量图，知：
后面再放一个偏振片 P2,P2后面就可以看到干涉,
通常是让 P1?P2
P2
P1 C
A1
Ae
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d
晶片 C
偏振片 P2
偏振化方向偏振片 P1
偏振化方向 光轴方向单色自然光
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（若 P1,P2夹角小于?，则无附加相差）。
P2
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5
∴ 通过 P2 后两束偏振光的相位差为
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光强 I? A220+A22e+2A20A2ecos
----相长干涉，亮
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12
2
k
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（ k=1,2,3 ----）
若单色光入射，且 d不均匀，
则屏上出现等厚干涉条纹。
6
若白光入射，而 d 均匀,则屏上由于某种颜色干涉相消，另一些颜色干涉相长，
而呈现它的互补色。
如红色（或蓝色）相消 → 显绿色（或黄色），
这叫（显） 色偏振,
若白光入射，且 d不均匀，
则屏上出现彩色 条纹。
屏
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例如，色偏振是检验材料有无双折射效应
（即使 n0,ne 相差极小）的灵敏方法。
偏振光的干涉有许多应用，其基本思想是由光的干涉情况反推晶片情况。
8
§ 5.7 人工双折射人工双折射是用人工的方法造成各向异性,
从而获得双折射的现象,。
一、光弹效应（ photoelastic effect）
光弹效应也叫应力双折射效应。
将有机玻璃取代晶片,加力的方向即光轴的方向,
P1 P2?
··
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干涉有机玻璃
C
9
应力（ F/S） → 各向异性 → 光速 V各向不同
→ n 各向不同，在一定应力范围内,有：
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22
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若应力均匀,则观察到均匀的干涉光强,
若应力不均匀,
若各处 F/S不同 → 各处 不同
→ 出现干涉条纹,
10
演示,应力双折射（工字梁）
应力变化大的地方,条纹密 ;
应力变化小的地方,条纹疏,
演示,塑料纸，厚度不同引起的色偏振
★ 检查半圆仪、透镜有无内应力
★ 吊钩内部的应力分布
★ 一层纸,出现某种色偏振
★ 二层纸、三层纸,为什么各层颜色不同？
★ P2 转动,为什么颜色会变？
★ 塑料纸转动,为什么颜色也会变？
11
二、电光效应电光效应也叫 电致双折射效应 。
1,克尔效应 （ kerr effect)
将克尔盒取代晶片的位置,加电场的方向即光轴的方向,
l
+
-
45? 45?P1 P2
克尔盒 d
12
克尔盒内充某种液体 (如 硝基苯 )，
加电场 → 液体各向异性（由于分子定向排列的缘故，呈单轴晶体性质）
光轴 ∥ 通光；
2PE?
不加电场 → 液体恢复各向同性
→ P2不通光（ ）。
21 PP
2kEnn oe有
E — 电场强度,k — 克尔常数对硝基苯 (C6H5NO2)
2218 /1044.1 Vmk
13
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2
2
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它正比于 U2,因此也称为 二次电光效应,
应用,可作光开关（克尔盒的响应时间极短，
每秒能够动作 109次）和光调制器。
用于高速摄影、光测距、激光通讯?
克尔盒有很多缺点：硝基苯有毒,易爆炸，
需极高纯度和高电压，故现在很少用。
14
2,泡克尔斯效应 (pockels effect)
图示为纵向装置
（光传播方向与电场平行）
21 PP?
用 KDP 晶体 (磷酸二氢钾 )取代克尔盒。
电极 K,K’透明。
电光晶体
+ 。。 -
P1 P2K K?
泡克尔斯盒
· ·
15
原来该晶体是单轴晶体，使光轴沿光传播方向，当然没有双折射现象，没有光透过 P2;
加电场 → 晶体变双轴晶体
→ 沿原来的光轴方向产生了附加了双折射效应。有光透过 P2。
-----称为一次电光效应Enn
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泡克尔斯盒的响应时间也极短，一般小于 10-9秒，也用作光开关和光调制器，
近年来还用于数据处理，显示技术。
16
光轴平行磁场,且
2Hnn
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这种效应很弱，需要很强的磁场才能观察到。
三、磁致双折射（补充）
类似于电场的克尔效应，某些透明液体在磁场 H 作用下变为各向异性，性质类似于单轴晶体。
—— 二次效应。
17
§ 5.8 旋光现象（补充）
一、物质的旋光性：
1811年实验物理学家阿喇果发现，
线偏振光通过某些透明物质时，
其偏振面将旋转一定的角度。
d
偏振片 2
偏振化方向单色自然光 偏振片 1
偏振化方向光轴方向
P2
P’2石英晶片
(不产生双折射 )
（原消光）
（现消光）
18
这种能使线偏振光的振动面发生旋转的性质，
称为 旋光性。
da
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a 取决于入射光的波长和旋光物质。
旋光物质
d
具有旋光性的物质：如石英、糖的水溶液、
酒石酸溶液、松节油等。
迎着光看，振动面 顺时针转的为右旋物质，
振动面 逆时针转的为左旋物质。
19
二、菲涅耳的解释：
线偏振光可看作是同频率、
等振幅、有确定相位差的左 (L)、右 (R)旋圆偏振光的合成。
RLRL nn
设,入射时 L,R 初相为 0，旋光物质长 d.
LR nn? RL
即
E
EL ER·
o
例如，石英晶体有左旋,右旋两类旋光体,
是因为它的分子的空间排列方式有两类。
20
在出射面上它们的位相，分别比入射面处的位相落后，
02 dn RR
02 dn LL
LR
由图示，有：
看旋转矢量图,
(a)
(b)?
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同一时刻
21
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即振动面向左旋（对着光看）。
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三、量糖术对溶液
dca
溶液的比旋光率—
溶液的浓度—
溶液的旋光率—
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据此可制成,量糖计,,并发展为,量糖术,。
其他应用：分析化工产品、药剂中的左、右旋光异构体的成分,…
某些液体或溶液有左旋或右旋,是由于其分子本身具有螺旋状结构引起的。
式中
23
天然的蔗糖 (C12H22O11)分子,不论是从甘蔗来还是从甜菜来,都是右旋的。
天然氯霉素药能治病,它是左旋的。
而正好人体所需要的葡萄糖,
其分子也是右旋的。
生物体对 左旋,右旋的物质能够识别并能作出选择。
而人工合成的氯霉素是左旋,右旋各一半,
只有一半有疗效,所以,它的价格只是天然氯霉素的一半。
24
四、磁致旋光（补充）
利用人工方法也可产生旋光性，其中最重要的是 磁致旋光,也称为 法拉第旋转,
是法拉第 1846年发现的。
水、二硫化碳、食盐、乙醇等是磁致旋光物质。
25
BdV
V,费德尔常量
1154 1010~ TmV
磁致旋光效应也能用于光通讯,
若磁场 B是由信号电流 i产生 (或调制 )的,
信号电流 i的变化?磁场 B的变化,
旋转角?变化,
P2通过的光强也变化,
-------这就是光通讯的原理,
d
磁致旋光物质
B
26
对自然旋光物质,振动面的左旋或右旋是由旋光物质本身决定的，与光的传播方向无关：
反射镜入射光
左旋反射镜反射光
左旋
27
对磁致旋光物质,因加了一定方向的磁场，
光沿逆向传播，振动面旋向相反,可以作成光隔离器。
反射镜反射光
右旋
B
反射镜入射光
左旋
B
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光隔离器令45,则 2 90,
消除反射光的干扰
·· ··
BP M?
磁致旋光物质
29
液晶是介于液态与结晶态之间的一种物质状态。
将某种液晶注入小玻璃盒中，在玻璃表面涂上二氧化锡等透明导电薄膜，玻璃就成为透明电极。
电控双折射现象液晶也有电光效应：
把液晶盒放在两正交偏振片之间，
加电场可由不透光变为透光。
30
动态散射现象注入某种液晶的液晶盒，在未加电场时是透明的。
----用于液晶数字显示技术。
加电场时，因盒内离子和液晶分子在电场作用下互相碰撞，使液晶分子产生紊乱运动，液晶盒变为不透明。
31
光的偏振结束
