偏振光的產(chǎn)生檢測(cè)和旋光現(xiàn)象

偏振光的產(chǎn)生檢測(cè)和旋光現(xiàn)象第1頁(yè)/共39頁(yè)21、線偏振光的產(chǎn)生-(1)、由反射與折射產(chǎn)生偏振光自然光在兩種各向同性介質(zhì)的分界面上反射和折射時(shí)，不但光的傳播方向要改變，而且光的偏振狀態(tài)也要改變，所以反射光和折射光都是部分偏振光。在一般情況下，反射光是以垂直于入射面的光振動(dòng)(s光)為主的部分偏振光；折射光是以平行于入射面的光振動(dòng)(p光)為主的部分偏振光。n2n1第2頁(yè)/共39頁(yè)3時(shí)，反射光中就只有垂直于入射面的光振動(dòng)(s光)，而沒(méi)有平行于入射面的光振動(dòng)(p光)，這時(shí)反射光為線偏振光，而折射光仍為部分偏振光。

——————這就是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與入射角有關(guān)。1812年，布儒斯特由實(shí)驗(yàn)證明：若光從折射率為n1的介質(zhì)射向折射率為n2的介質(zhì)，當(dāng)入射角滿足這實(shí)驗(yàn)規(guī)律可用電磁場(chǎng)理論的菲涅耳公式解釋。第3頁(yè)/共39頁(yè)4n2n1

—

稱為布儒斯特角或起偏角折射光仍為部分偏振光入射角為，反射光線垂直折射光線理論實(shí)驗(yàn)表明：反射所獲得的線偏光僅占入射自然光總能量的(7.幾)%，而約占85%的垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中。第4頁(yè)/共39頁(yè)5可以利用玻璃片來(lái)獲得線偏振光，只用一片玻璃的缺點(diǎn)：以布儒斯特角入射時(shí)，反射光雖為線偏振光，但強(qiáng)度太小透射光的強(qiáng)度雖大，但偏振度太小為解決這個(gè)矛盾，讓光通過(guò)由多片玻璃疊合而成的傾斜的片堆，并使入射角等于布儒斯特角，經(jīng)過(guò)多次的反射和折射，既能獲得較高的偏振度，光的強(qiáng)度也比較大。1.51.51.51.01.01.01.0第5頁(yè)/共39頁(yè)61、線偏振光的產(chǎn)生-(2)、由二向色性產(chǎn)生偏振光二向色性是指有些各向異性的晶體對(duì)于光的吸收本領(lǐng)除了隨波長(zhǎng)改變外，還隨光矢量相對(duì)于晶體的方位而改變。例：當(dāng)振動(dòng)方向互相垂直的兩束線偏振白光通過(guò)晶體后呈現(xiàn)出不同的顏色。天然晶體中，電氣石具有很強(qiáng)的二向色性?！し瞧窆饩€偏振光光軸電氣石晶片··第6頁(yè)/共39頁(yè)7一些各向同性的介質(zhì)在受到外界作用時(shí)也會(huì)產(chǎn)生各向異性，并具有二向色性。利用該特性獲取偏振光的器件叫做人造偏振片。H偏振片聚乙烯醇薄膜碘溶液拉伸、烘干聚乙烯醇薄膜氯化氫中加熱脫水K偏振片極強(qiáng)的二向色性，光化學(xué)性穩(wěn)定，強(qiáng)光照射不會(huì)褪色，但膜片略變黑，透明度低偏振度高，透明度低，對(duì)各色可見(jiàn)光有選擇吸收，可做得薄而大，價(jià)廉，廣泛應(yīng)用第7頁(yè)/共39頁(yè)81、線偏振光的產(chǎn)生-(3)、雙折射晶體產(chǎn)生線偏振光在雙折射晶體中內(nèi)，自然光波被分解成光矢量互相正交的線偏振光傳播，把其中的一束光攔掉，便得到線偏振光。[1]、尼科耳棱鏡BCAD

光光加拿大樹(shù)膠第8頁(yè)/共39頁(yè)9[2]、格蘭-湯姆遜棱鏡當(dāng)光垂直于棱鏡端面入射時(shí)，o光和e光均不發(fā)生偏折，在斜面上的入射角等于棱鏡斜面與直角面的夾角。制作時(shí)使膠合劑的折射率大于并接近e光的折射率，但小于o光折射率，并選取棱鏡斜面與直角面的夾角大于o光在膠合面上的臨界角，這樣o光在膠合面上將發(fā)生全反射，并被棱鏡直角面上的涂層吸收，而e光由于折射率幾乎不變而無(wú)偏折地從棱鏡出射?！ぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁす廨S光軸方解石方解石加拿大樹(shù)膠oe吸收涂層i第9頁(yè)/共39頁(yè)10············光軸光軸方解石方解石加拿大樹(shù)膠oe吸收涂層i當(dāng)入射光束不是平行光或平行光非正入射偏振棱鏡時(shí)，棱鏡的全偏振將受到限制。允許的角度約為±14o當(dāng)上偏角大于某一值時(shí)，o光在膠層上的入射角小于臨界角，不發(fā)生全反射而部分地透過(guò)棱鏡；當(dāng)下偏角大于某一值時(shí)，e光折射率增大與o光同時(shí)發(fā)生全反射，沒(méi)有光從棱鏡射出。優(yōu)點(diǎn)：對(duì)可見(jiàn)光透明度高，能產(chǎn)生完善的線偏振光缺點(diǎn)：不適于用于高度會(huì)聚或發(fā)散的光束，有效使用截面小，價(jià)格昂貴第10頁(yè)/共39頁(yè)11[3]、格蘭-傅科棱鏡加拿大樹(shù)膠對(duì)紫外吸收很大，且容易被大功率激光破壞?！ぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁす廨S光軸方解石方解石空氣層oe吸收涂層i將加拿大樹(shù)膠用空氣薄層代替——格蘭-傅科棱鏡適用于紫外波段，能承受強(qiáng)光的照射，避免樹(shù)膠強(qiáng)烈吸收紫光的缺點(diǎn)。這種透鏡能透過(guò)210nm的紫外光。允許的入射角度范圍不大，大約15°左右。第11頁(yè)/共39頁(yè)12[4]*、偏振分束棱鏡利用晶體的雙折射，且光的折射角與光振動(dòng)方向有關(guān)的原理，改變振動(dòng)方向互相垂直的兩束線偏振光的傳播方向，從而獲得兩束分開(kāi)的線偏振光。偏振分束棱鏡也稱為雙像棱鏡，常用于偏振光干涉系統(tǒng)。一般采用方解石或石英為材料，兩半棱鏡光軸取向互相垂直。

渥拉斯頓棱鏡洛匈(羅雄)棱鏡第12頁(yè)/共39頁(yè)13{1}、渥拉斯頓棱鏡光從棱鏡1進(jìn)入棱鏡2時(shí)，光軸轉(zhuǎn)了90度

o光(點(diǎn))變e光光密光疏，偏離法線傳播折射角＞入射角

e光(短劃)變o光

靠近法線傳播進(jìn)入空氣后,均是由光密→光疏，∴可得到進(jìn)一步分開(kāi)的二束線偏振光。no(1.6584)＞ne(1.4864)平行自然光垂直入射到棱鏡端面，在棱鏡1內(nèi)，o光、e光以不同速度沿同一方向行進(jìn)。e·12方解石方解石········o第13頁(yè)/共39頁(yè)14{2}、洛匈棱鏡平行自然光垂直入射棱鏡，光在第一棱鏡中沿著光軸方向傳播，不產(chǎn)生雙折射，o光、e光都以o光速度沿同一方向行進(jìn)。

進(jìn)入第二棱鏡后，光軸轉(zhuǎn)過(guò)90度，平行于圖面振動(dòng)的e光在第二棱鏡中變?yōu)閛光，這支光在兩塊棱鏡中速度不變，無(wú)偏折的射出棱鏡。

垂直于圖面振動(dòng)的o光在第二棱鏡中變?yōu)閑光，石英的ne>no，在斜面上折射光線偏向法線，得到兩束分開(kāi)的振動(dòng)方向互相垂直的線偏振光。只允許光從左方射入棱鏡。····第14頁(yè)/共39頁(yè)152、橢圓(圓)偏振光的產(chǎn)生可以借助波片將線偏振光變成橢圓(圓偏振光)波片也稱相位延遲器，能使偏振光的兩個(gè)互相垂直的線偏振(分)光之間產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)的相位延遲，從而改變光的偏振態(tài)。對(duì)某個(gè)波長(zhǎng)而言，當(dāng)o、e光在晶片中的光程差為的某個(gè)特定倍數(shù)時(shí)，這樣的晶片叫波晶片，簡(jiǎn)稱波片。波片是透明晶體制成的平行平面薄片，其光軸與表面平行。ydxAAoAe線偏振光光軸λ當(dāng)一束線偏振光垂直入射到由單軸晶體制成的波片時(shí)，在波片中分解成沿原方向傳播但振動(dòng)方向互相垂直的o光和e光，相應(yīng)的折射率no

、ne。第15頁(yè)/共39頁(yè)16兩光在晶片中的速度不同，當(dāng)通過(guò)厚度d的晶片后產(chǎn)生相應(yīng)的相位差為：ydxAAoAe線偏振光光軸λ兩束線偏振分光的振幅為：兩束振動(dòng)方向互相垂直且有一定相位差的線偏振光疊加，一般得到橢圓偏振光。波片制造時(shí)通常標(biāo)出快（或慢）軸，稱晶體中波速快的光矢量的方向?yàn)榭燧S，與之垂直的光矢量方向即為慢軸。第16頁(yè)/共39頁(yè)17負(fù)單軸晶體時(shí)，e光比o光速度快，快軸在e光光矢量方向即光軸方向，o光光矢量方向?yàn)槁S，正晶體正好相反。波片產(chǎn)生的相位差是慢軸方向光矢量相對(duì)于快軸方向光矢量的相位延遲量。(1)、全波片厚度全波片產(chǎn)生2π整數(shù)倍的相位延遲，不改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)。對(duì)波長(zhǎng)為的光沒(méi)有影響（相位延遲2）。但是對(duì)別的波長(zhǎng)的光來(lái)說(shuō)是有影響的。第17頁(yè)/共39頁(yè)18(2)、半波片半波片產(chǎn)生π奇數(shù)倍的相位延遲，線偏振光通過(guò)半波片后仍然是線偏振光。作用：可使線偏振光的振動(dòng)面轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度。若入射點(diǎn)處線偏振光分解的o、e光同相；則出射點(diǎn)處仍是線偏振光，只是o、e光反相若入射線偏振光的振動(dòng)方向與波片快軸（或慢軸）夾角為α，出射線偏振光的振動(dòng)方向向著快軸（或慢軸）方向轉(zhuǎn)過(guò)2α。A0入A0出A入A出Ae入=Ae出入光軸第18頁(yè)/共39頁(yè)19若入射的是橢圓偏振光，經(jīng)半波片，出來(lái)仍是橢圓偏振光，但是旋轉(zhuǎn)的方向改變，而且橢圓的長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)過(guò)2角。圓偏振光入射時(shí)，出射光是旋向相反的圓偏振光。若入射的是圓偏振光(已有/2)，經(jīng)1/2波片(又有)，出來(lái)仍是圓偏振光，但是左旋右旋第19頁(yè)/共39頁(yè)20(3)、四分之一波片線偏振光經(jīng)1/4波片可以獲得橢圓或圓偏振光橢圓或圓偏振光,經(jīng)1/4波片可以獲得線偏振光因?yàn)闄E圓或圓偏振光的兩個(gè)垂直分量已經(jīng)有了相位差/2，經(jīng)1/4波片以后，又有±/2的相位差，所以出來(lái)的就是相位差為0或的線偏振光了。A0入A0出A入A出光軸——橢圓——線偏振光(只有平行于光軸的分量)——線偏振光(只有垂直于光軸的分量)——圓(o光,e光分量的振幅相等)第20頁(yè)/共39頁(yè)21波片都只是對(duì)某一特定波長(zhǎng)的入射光產(chǎn)生某一確定的位相變化。同時(shí)，入射在波片上的光必須是偏振光，自然光經(jīng)波片后的出射光仍是自然光。為了達(dá)到改變偏振態(tài)的目的，應(yīng)該使波片的快(慢)軸與入射光矢量有一定夾角，以便在兩個(gè)互相垂直的光矢量間引入一定的位相延遲。第21頁(yè)/共39頁(yè)223、偏振光的檢測(cè)(鑒別)

如何利用一塊檢偏器與一塊四分之一波片，鑒別線偏振光、圓偏振光、部分圓偏振光以及自然光、橢圓偏振光與部分橢圓偏振光、部分線偏振光？(1)、線偏振光的鑒別轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏鏡，光強(qiáng)隨之改變。如果最弱時(shí)完全看不到光，再轉(zhuǎn)過(guò)90度，光強(qiáng)就最大，可確定為直線偏振光。第22頁(yè)/共39頁(yè)23尼科耳棱鏡可用于起偏和檢偏第23頁(yè)/共39頁(yè)24(2)、分辨圓偏振光、部分圓偏振光與自然光轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏鏡，若透射光強(qiáng)度始終不變，入射光就是自然光或圓偏振光，或由自然光與圓偏振光混合而成的部分圓偏振光。

[1]、若是圓偏振光，那么通過(guò)四分之一波片后，便成為直線偏振光。要分辨這三種光，就應(yīng)在光射達(dá)檢偏鏡前，使它先通過(guò)四分之一波片。[2]、若為部分圓偏振光，則通過(guò)四分之一波片后，就變成直線偏振光與自然光混合而成的部分直線偏振光。這時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏鏡可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)檢偏鏡在某一方位時(shí)，光特別亮，處于其他方位時(shí)都較暗，但卻不等于零。[3]、若光是自然光，

則經(jīng)過(guò)四分之一波片后，就不會(huì)變成直線偏振光，也不會(huì)變成部分偏振光，仍為自然光。即轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏鏡時(shí)，所見(jiàn)的光強(qiáng)度始終不變。第24頁(yè)/共39頁(yè)25(3)、分辨橢圓偏振光與部分橢圓偏振光、部分(線)偏振光

在轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏鏡時(shí)，均可發(fā)現(xiàn)光線有時(shí)亮、有時(shí)暗，即使在最暗時(shí)，透過(guò)光強(qiáng)也都不完全減弱到零。

為區(qū)別這三種光，可將一個(gè)四分之一波片插入待檢驗(yàn)的偏振光與檢偏鏡之間，并先使四分之一波片的光軸取向跟單獨(dú)用檢偏鏡時(shí)看到最亮?xí)r的光振動(dòng)方向一致。[1]、若是橢圓偏振光，

在通過(guò)四分之一波片后，它便將變成線偏振光，因此可用檢偏鏡直接檢驗(yàn)出來(lái)(有兩個(gè)消光位置)。[2]、若是部分橢圓偏振光，

則通過(guò)四分之一波片后，將會(huì)變成部分線偏振光。在轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器時(shí)，在某一方位，光特別亮，處于其他方位時(shí)都較暗，但卻不等于零。[3]、若是部分(線)偏振光，

將四分之一波片轉(zhuǎn)過(guò)45度后，它應(yīng)變成部分圓偏振光，檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)光強(qiáng)不變。第25頁(yè)/共39頁(yè)26二、晶體中的旋光現(xiàn)象1、旋光現(xiàn)象當(dāng)線偏振平面波在石英中沿光軸方向傳播時(shí)，偏振方向隨著光波的傳播而旋轉(zhuǎn)，即雖然在任何地點(diǎn)的振動(dòng)方向不隨時(shí)間改變，但在傳播途中的不同地點(diǎn)卻有不同的振動(dòng)方向，如圖所示，這種現(xiàn)象稱為旋光。旋光現(xiàn)象最早是在1811年由阿喇果(Arago)在石英晶片中觀察到的。稍后，比奧(Biot)在一些液態(tài)物質(zhì)中也觀察到同樣的現(xiàn)象。能產(chǎn)生旋光的物質(zhì)稱為“旋光物質(zhì)”，或者說(shuō)該物質(zhì)具有“旋光性”。除了石英等單軸晶體外，某些立方晶體(如巖鹽)和雙軸晶體(如酒石酸)也有旋光性。此外，一些有機(jī)物質(zhì)的溶液，如蔗糖溶液和松節(jié)油，也具有旋光性。

第26頁(yè)/共39頁(yè)272、旋光的一些特性(1)旋光系數(shù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單色光振動(dòng)方向的旋轉(zhuǎn)角度

與光在旋光物質(zhì)中經(jīng)過(guò)的距離d成正比：比例系數(shù)

表示單位距離引起的旋轉(zhuǎn)角，稱為“旋光系數(shù)”。對(duì)于確定的物質(zhì)和確定的光波波長(zhǎng)，旋光系數(shù)是一個(gè)常數(shù)。旋光溶液

值與旋光溶質(zhì)的濃度有關(guān)。

第27頁(yè)/共39頁(yè)28(2)右旋和左旋線偏振光在不同的旋光物質(zhì)中傳播時(shí)，振動(dòng)的旋轉(zhuǎn)方向可能不同。迎著光波傳播方向觀察時(shí)，若振動(dòng)沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，則稱物質(zhì)是“右旋的”；若振動(dòng)沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，則稱物質(zhì)是“左旋的”。石英、蔗糖溶液等旋光物質(zhì)，本身都可以分成右旋和左旋兩類，如右旋石英和左旋石英，它們的分子組成相同，都是SiO2，但分子的排列結(jié)構(gòu)是鏡象對(duì)稱的。反映在晶體的外形上也是鏡象對(duì)稱的，如圖所示。如果規(guī)定沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的角度為正，反之為負(fù)，則右旋物質(zhì)的

，左旋物質(zhì)的

。第28頁(yè)/共39頁(yè)29(3)旋光色散實(shí)驗(yàn)指出，旋光系數(shù)的大小與光波的波長(zhǎng)有關(guān)。這個(gè)現(xiàn)象稱為“旋光色散”。

與

的關(guān)系可以由下述經(jīng)驗(yàn)公式近似表示：上式右端括號(hào)前的正負(fù)號(hào)由右旋或左旋確定，A和B是兩個(gè)大于零的物質(zhì)常數(shù)。

這個(gè)關(guān)系式表明，

的絕對(duì)值隨的增大而減小。在同樣的傳播過(guò)程中，紅光振動(dòng)方向的旋轉(zhuǎn)角度比藍(lán)(紫)光的小。ρ紅紫40070020°40°60°第29頁(yè)/共39頁(yè)30226.5404.7435.8486.1546.1589.3643.8201.948.9541.5532.7625.5421.7218.02右旋石英的旋光系數(shù)左旋石英的旋光系數(shù)分別與表中列出的數(shù)值大小相同，但均為負(fù)值。第30頁(yè)/共39頁(yè)313、旋光現(xiàn)象的菲涅耳解釋左旋圓偏振光和右旋圓偏振光在旋光物質(zhì)中的傳播速度和對(duì)應(yīng)的折射率都不相同?！颇A(yù)測(cè)、實(shí)驗(yàn)證明的事實(shí)分別用VR和VL表示右旋偏振光和左旋偏振的光位相速度，用nR和nL表示相應(yīng)的折射率，則對(duì)于旋光物質(zhì)有：VR≠VL，nR≠nL今考察兩個(gè)振幅相同的圓偏振光，一為左旋、一為右旋，用Jones矩陣表示為：——左旋圓偏振光——右旋圓偏振光顯然有：即，它們疊加形成線偏振光第31頁(yè)/共39頁(yè)32這兩個(gè)圓偏振光射入一旋光透明物體，沿光軸方向，物體沿光軸方向厚度為d，則兩個(gè)偏振光出射時(shí)增加的位相分別為：出射的兩個(gè)圓偏振光的Jones矢量分別為：顯然有：第32頁(yè)/共39頁(yè)33顯然，這是一個(gè)與x軸夾角為的線偏振光這個(gè)過(guò)程說(shuō)明，線偏振光在旋光透明物體內(nèi)沿光軸傳播距離d后，振動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，即：于是，線偏振光在旋光透明物質(zhì)內(nèi)的旋光現(xiàn)象得以解釋第33頁(yè)/共39頁(yè)34D0yOD0/2P1x旋光的菲涅耳解釋可借助圖形來(lái)闡述yxOP1D0/2D0αP2第34頁(yè)/共39頁(yè)35這不僅說(shuō)明了旋光系數(shù)是有色散的物質(zhì)常數(shù)，而且還給出了ρ與nL、nR的關(guān)系。這樣，人們不僅可以通過(guò)測(cè)量α和d來(lái)求得ρ值，而且還可以通過(guò)測(cè)量媒質(zhì)對(duì)右、左旋圓偏振光的折射率來(lái)求取ρ值。實(shí)際操作證明，由這兩個(gè)方法獲得的ρ值是符合的。只是因?yàn)椴钪?