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1、第十三、四次课、偏振光的产生、检测和旋光现象,一、偏振光的产生和检测,1、线偏振光的产生,(1)、由反射与折射产生线偏振光(2)、由二向色性产生线偏振光(3)、由双折射产生线偏振光,2、椭圆(圆)偏振光的产生,3、偏振光的检测,1、线偏振光的产生-(1)、由反射与折射产生偏振光,自然光在两种各向同性介质的分界面上反射和折射时，不但光的传播方向要改变，而且光的偏振状态也要改变，所以反射光和折射光都是部分偏振光。,在一般情况下，反射光是以垂直于入射面的光振动(s光)为主的部分偏振光；折射光是以平行于入射面的光振动(p光)为主的部分偏振光。,时，反射光中就只有垂直于入射面的光振动(s光)，而没有平行
2、于入射面的光振动(p光)，这时反射光为线偏振光，而折射光仍为部分偏振光。这就是Brewster定律。其中 叫做布儒斯特角或起偏角。以后用 表示。,布儒斯特定律,反射光的偏振化程度与入射角有关。1812年，布儒斯特由实验证明：若光从折射率为n1的介质射向折射率为n2的介质，当入射角 满足,这实验规律可用电磁场理论的菲涅耳公式解释。,称为布儒斯特角或起偏角折射光仍为部分偏振光入射角为，反射光线垂直折射光线,理论实验表明：反射所获得的线偏光仅占入射自然光总能量的(7.几)%，而约占85%的垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中。,可以利用玻璃片来获得线偏振光，只用一片玻璃的缺点：以布儒斯特角入射时，反
3、射光虽为线偏振光，但强度太小 透射光的强度虽大，但偏振度太小,为解决这个矛盾，让光通过由多片玻璃叠合而成的倾斜的片堆，并使入射角等于布儒斯特角，经过多次的反射和折射，既能获得较高的偏振度，光的强度也比较大。,1、线偏振光的产生-(2)、由二向色性产生偏振光,二向色性是指有些各向异性的晶体对于光的吸收本领除了随波长改变外，还随光矢量相对于晶体的方位而改变。,例：当振动方向互相垂直的两束线偏振白光通过晶体后呈现出不同的颜色。天然晶体中，电气石具有很强的二向色性。,一些各向同性的介质在受到外界作用时也会产生各向异性，并具有二向色性。利用该特性获取偏振光的器件叫做人造偏振片。,H偏振片,K偏振片,极强
4、的二向色性，光化学性稳定，强光照射不会褪色，但膜片略变黑，透明度低,偏振度高，透明度低，对各色可见光有选择吸收，可做得薄而大，价廉，广泛应用,1、线偏振光的产生-(3)、双折射晶体产生线偏振光,在双折射晶体中内，自然光波被分解成光矢量互相正交的线偏振光传播，把其中的一束光拦掉，便得到线偏振光。,1、尼科耳棱镜,光,2、格兰-汤姆逊棱镜,当光垂直于棱镜端面入射时，o光和e光均不发生偏折，在斜面上的入射角等于棱镜斜面与直角面的夹角。,制作时使胶合剂的折射率大于并接近e光的折射率，但小于o光折射率，并选取棱镜斜面与直角面的夹角大于o光在胶合面上的临界角，这样o光在胶合面上将发生全反射，并被棱镜直角面
5、上的涂层吸收，而e光由于折射率几乎不变而无偏折地从棱镜出射。,当入射光束不是平行光或平行光非正入射偏振棱镜时，棱镜的全偏振将受到限制。允许的角度约为14,当上偏角大于某一值时，o光在胶层上的入射角小于临界角，不发生全反射而部分地透过棱镜；当下偏角大于某一值时，e光折射率增大与o光同时发生全反射，没有光从棱镜射出。,优点：对可见光透明度高，能产生完善的线偏振光缺点：不适于用于高度会聚或发散的光束，有效使用截面小，价格昂贵,3、格兰-傅科棱镜,加拿大树胶对紫外吸收很大，且容易被大功率激光破坏。,将加拿大树胶用空气薄层代替格兰-傅科棱镜适用于紫外波段，能承受强光的照射，避免树胶强烈吸收紫光的缺点。这
6、种透镜能透过210nm的紫外光。允许的入射角度范围不大，大约15左右。,4*、偏振分束棱镜利用晶体的双折射，且光的折射角与光振动方向有关的原理，改变振动方向互相垂直的两束线偏振光的传播方向，从而获得两束分开的线偏振光。,偏振分束棱镜也称为双像棱镜，常用于偏振光干涉系统。一般采用方解石或石英为材料，两半棱镜光轴取向互相垂直。,渥拉斯顿棱镜 洛匈(罗雄)棱镜,1、渥拉斯顿棱镜,光从棱镜1进入棱镜2时，光轴转了90度 o光(点)变e光 光密光疏，偏离法线传播 折射角入射角 e光(短划)变o光 靠近法线传播,进入空气后,均是由光密光疏，可得到进一步分开的二束线偏振光。,no(1.6584)ne(1.4
7、864),平行自然光垂直入射到棱镜端面，在棱镜1内，o光、e光以不同速度沿同一方向行进。,2、洛匈棱镜,平行自然光垂直入射棱镜，光在第一棱镜中沿着光轴方向传播，不产生双折射，o光、e光都以o光速度沿同一方向行进。,进入第二棱镜后，光轴转过90度，平行于图面振动的e光在第二棱镜中变为o光，这支光在两块棱镜中速度不变，无偏折的射出棱镜。,垂直于图面振动的 o光在第二棱镜中变为e光，石英的neno，在斜面上折射光线偏向法线，得到两束分开的振动方向互相垂直的线偏振光。,只允许光从左方射入棱镜。,2、椭圆(圆)偏振光的产生,可以借助波片将线偏振光变成椭圆(圆偏振光),波片也称相位延迟器，能使偏振光的两个
8、互相垂直的线偏振(分)光之间产生一个相对的相位延迟，从而改变光的偏振态。,对某个波长而言，当o、e光在晶片中的光程差为的某个特定倍数时，这样的晶片叫波晶片，简称波片。,波片是透明晶体制成的平行平面薄片，其光轴与表面平行。,当一束线偏振光垂直入射到由单轴晶体制成的波片时，在波片中分解成沿原方向传播但振动方向互相垂直的o光和e光，相应的折射率no、ne。,两光在晶片中的速度不同，当通过厚度d的晶片后产生相应的相位差为：,两束线偏振分光的振幅为：,两束振动方向互相垂直且有一定相位差的线偏振光叠加，一般得到椭圆偏振光。,波片制造时通常标出快（或慢）轴，称晶体中波速快的光矢量的方向为快轴，与之垂直的光矢
9、量方向即为慢轴。,负单轴晶体时，e光比o光速度快，快轴在e光光矢量方向即光轴方向，o光光矢量方向为慢轴，正晶体正好相反。,波片产生的相位差是慢轴方向光矢量相对于快轴方向光矢量的相位延迟量。,(1)、全波片,厚度,全波片产生2整数倍的相位延迟，不改变入射光的偏振态。,对波长为的光没有影响（相位延迟2）。但是对别的波长的光来说是有影响的。,(2)、半波片,半波片产生奇数倍的相位延迟，线偏振光通过半波片后仍然是线偏振光。,作用：可使线偏振光的振动面转过一个角度。,若入射点处线偏振光分解的o、e光同相；则出射点处仍是线偏振光，只是o、e光反相,若入射线偏振光的振动方向与波片快轴（或慢轴）夹角为，出射线
10、偏振光的振动方向向着快轴（或慢轴）方向转过2。,若入射的是椭圆偏振光，经半波片，出来仍是椭圆偏振光，但是旋转的方向改变，而且椭圆的长轴转过2角。,圆偏振光入射时，出射光是旋向相反的圆偏振光。,若入射的是圆偏振光(已有/2)，经1/2波片(又有)，出来仍是圆偏振光，但是,左旋右旋,(3)、四分之一波片,线偏振光经1/4波片可以获得椭圆或圆偏振光椭圆或圆偏振光,经1/4波片可以获得线偏振光,因为椭圆或圆偏振光的两个垂直分量已经有了相位差/2，经1/4波片以后，又有/2的相位差，所以出来的就是相位差为0或的线偏振光了。,椭圆,线偏振光(只有平行于光轴的分量),线偏振光(只有垂直于光轴的分量),圆(o
11、光,e光分量的振幅相等),波片都只是对某一特定波长的入射光产生某一确定的位相变化。,同时，入射在波片上的光必须是偏振光，自然光经波片后的出射光仍是自然光。,为了达到改变偏振态的目的，应该使波片的快(慢)轴与入射光矢量有一定夹角，以便在两个互相垂直的光矢量间引入一定的位相延迟。,3、偏振光的检测(鉴别),如何利用一块检偏器与一块四分之一波片，鉴别线偏振光、圆偏振光、部分圆偏振光以及自然光、椭圆偏振光与部分椭圆偏振光、部分线偏振光？,(1)、线偏振光的鉴别,转动检偏镜，光强随之改变。如果最弱时完全看不到光，再转过90度，光强就最大，可确定为直线偏振光。,尼科耳棱镜可用于起偏和检偏,(2)、分辨圆偏
12、振光、部分圆偏振光与自然光,转动检偏镜，若透射光强度始终不变，入射光就是自然光或圆偏振光，或由自然光与圆偏振光混合而成的部分圆偏振光。,1、若是圆偏振光，那么通过四分之一波片后，便成为直线偏振光。,要分辨这三种光，就应在光射达检偏镜前，使它先通过四分之一波片。,2、若为部分圆偏振光，则通过四分之一波片后，就变成直线偏振光与自然光混合而成的部分直线偏振光。这时转动检偏镜可发现，当检偏镜在某一方位时，光特别亮，处于其他方位时都较暗，但却不等于零。,3、若光是自然光，则经过四分之一波片后，就不会变成直线偏振光，也不会变成部分偏振光，仍为自然光。即转动检偏镜时，所见的光强度始终不变。,(3)、分辨椭圆
13、偏振光与部分椭圆偏振光、部分(线)偏振光,在转动检偏镜时，均可发现光线有时亮、有时暗，即使在最暗时，透过光强也都不完全减弱到零。,为区别这三种光，可将一个四分之一波片插入待检验的偏振光与检偏镜之间，并先使四分之一波片的光轴取向跟单独用检偏镜时看到最亮时的光振动方向一致。,1、若是椭圆偏振光，在通过四分之一波片后，它便将变成线偏振光，因此可用检偏镜直接检验出来(有两个消光位置)。,2、若是部分椭圆偏振光，则通过四分之一波片后，将会变成部分线偏振光。在转动检偏器时，在某一方位，光特别亮，处于其他方位时都较暗，但却不等于零。,3、若是部分(线)偏振光，将四分之一波片转过45度后，它应变成部分圆偏振光
14、，检偏器转动时光强不变。,二、晶体中的旋光现象,1、旋光现象当线偏振平面波在石英中沿光轴方向传播时，偏振方向随着光波的传播而旋转，即虽然在任何地点的振动方向不随时间改变，但在传播途中的不同地点却有不同的振动方向，如图所示，这种现象称为旋光。,旋光现象最早是在1811年由阿喇果(Arago)在石英晶片中观察到的。稍后，比奥(Biot)在一些液态物质中也观察到同样的现象。能产生旋光的物质称为“旋光物质”，或者说该物质具有“旋光性”。除了石英等单轴晶体外，某些立方晶体(如岩盐)和双轴晶体(如酒石酸)也有旋光性。此外，一些有机物质的溶液，如蔗糖溶液和松节油，也具有旋光性。,2、旋光的一些特性(1)旋光
15、系数 实验发现，单色光振动方向的旋转角度 与光在旋光物质中经过的距离d成正比：,比例系数 表示单位距离引起的旋转角，称为“旋光系数”。对于确定的物质和确定的光波波长，旋光系数是一个常数。,旋光溶液 值与旋光溶质的浓度有关。,(2)右旋和左旋 线偏振光在不同的旋光物质中传播时，振动的旋转方向可能不同。迎着光波传播方向观察时，若振动沿顺时针方向旋转，则称物质是“右旋的”；若振动沿逆时针方向旋转，则称物质是“左旋的”。,石英、蔗糖溶液等旋光物质，本身都可以分成右旋和左旋两类，如右旋石英和左旋石英，它们的分子组成相同，都是SiO2，但分子的排列结构是镜象对称的。反映在晶体的外形上也是镜象对称的，如图所
16、示。,如果规定沿顺时针方向旋转的角度为正，反之为负，则右旋物质的，左旋物质的。,(3)旋光色散 实验指出，旋光系数的大小与光波的波长有关。这个现象称为“旋光色散”。,与 的关系可以由下述经验公式近似表示：上式右端括号前的正负号由右旋或左旋确定，A和B是两个大于零的物质常数。,这个关系式表明，的绝对值随 的增大而减小。在同样的传播过程中，红光振动方向的旋转角度比蓝(紫)光的小。,右旋石英的旋光系数左旋石英的旋光系数分别与表中列出的数值大小相同，但均为负值。,3、旋光现象的菲涅耳解释,左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在旋光物质中的传播速度和对应的折射率都不相同。菲涅耳预测、实验证明的事实分别用VR和VL
17、表示右旋偏振光和左旋偏振的光位相速度，用nR和nL表示相应的折射率，则对于旋光物质有：VRVL，nRnL,今考察两个振幅相同的圆偏振光，一为左旋、一为右旋，用Jones矩阵表示为：,左旋圆偏振光,右旋圆偏振光,显然有：,即，它们叠加形成线偏振光,这两个圆偏振光射入一旋光透明物体，沿光轴方向，物体沿光轴方向厚度为d，则两个偏振光出射时增加的位相分别为：,出射的两个圆偏振光的Jones矢量分别为：,显然有：,显然，这是一个与x轴夹角为 的线偏振光,这个过程说明，线偏振光在旋光透明物体内沿光轴传播距离d后，振动方向转动一定的角度，即：,于是，线偏振光在旋光透明物质内的旋光现象得以解释,旋光的菲涅耳解
18、释可借助图形来阐述,这不仅说明了旋光系数是有色散的物质常数，而且还给出了与nL、nR的关系。这样，人们不仅可以通过测量和d来求得值，而且还可以通过测量媒质对右、左旋圆偏振光的折射率来求取值。实际操作证明，由这两个方法获得的值是符合的。只是因为差值(nL-nR)很小，往往只有不多几位有效数字，因而由后一方法获得的值精度稍差。,上表列出了右旋石英对于三种波长的nL值(左旋石英的nR等于表中的nL，nL等于表中的nR)。表中也列出了寻常和异常折射率，以便比较。从该表可以看出，no是nR和nL的平均值，差值|nL-nR|远小于差值|ne-no|,4、菲涅耳棱镜组,a)石英棱镜；b)、科纽棱镜；c)、石英透镜,5、科纽棱镜,6、溶液旋光现象的特点和应用溶液的旋光系数与其中旋光溶质的质量成正比，也即与溶液的浓度成正比：=C(*)式中C是溶液浓度，是溶质的有色散的物质常数。对于钠黄光(589.3nm)，蔗糖的=60/(g.cm-3)。根据(*)式，由已知的和测量的可以计算溶液浓度C。这就是“量糖计”的原理。,A：起偏器,B：检偏器,L：盛有液体旋光物质的管子.,7、旋光仪观察偏振光振动面旋转的仪器,
