偏振和晶體光學(xué)基礎(chǔ)

第六章光的偏振和晶體光學(xué)基礎(chǔ)萬助軍

華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院2023/2/12應(yīng)用實例1：3D電影原理2023/2/13應(yīng)用實例1：3D電影原理立體視覺原理——人的雙眼同時觀察物體，能判斷物體的遠(yuǎn)近，產(chǎn)生立體感。這是由于雙眼同時觀察物體時，在視網(wǎng)膜上成像并不完全相同，左眼看到物體左側(cè)面較多，右眼看到物體右側(cè)面較多，這兩個像經(jīng)過大腦的經(jīng)驗合成后就能區(qū)分物體的遠(yuǎn)近，從而產(chǎn)生立體視覺，大腦的這種功能稱為雙眼視覺融合效應(yīng)。2023/2/14應(yīng)用實例1：3D電影原理影片制作時，模仿人的雙眼，以兩臺攝影機(jī)從不同角度進(jìn)行錄制。放映時，以兩臺放映機(jī)按照一定角度將影片同步投影到屏幕上，兩臺放映機(jī)鏡頭前分別加正交方向的偏振片。觀眾佩戴3D眼鏡，兩個鏡片為正交方向的偏振片，因此每只眼睛只能看到一臺放映機(jī)的投影，通過雙眼視覺融合效應(yīng)，產(chǎn)生立體視覺。2023/2/15應(yīng)用實例2：液晶顯示原理每個像素由RGB三個子像素組成，實現(xiàn)配色。兩個偏振片和液晶層組成三明治結(jié)構(gòu)，以電場控制液晶的旋光角度，調(diào)節(jié)每個子像素的亮度，實現(xiàn)彩色顯示。2023/2/16應(yīng)用實例3：偏光顯微鏡原理食糖晶體+食鹽晶體樣品在鏡筒中加了兩塊正交方向的偏振片，無樣品時視野是暗的，具有雙折射特性的樣品則透光成像。食糖晶體有雙折射特性，而食鹽晶體沒有，因此在右下圖中無圖像。兩偏振片正交兩偏振片平行2023/2/17應(yīng)用實例3：偏光顯微鏡原理普通顯微鏡偏光顯微鏡在兩正交偏振片之間加入一片1/4波片，可用于區(qū)別腫瘤細(xì)胞：正常細(xì)胞對偏振光是左旋，而腫瘤細(xì)胞對偏振光是右旋。生物組織樣品2023/2/18本章內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)1.1偏振光概述偏振光的概念、分類和數(shù)學(xué)描述；偏振光的產(chǎn)生方法；馬呂斯定律。1.2光在晶體中的傳播晶體雙折射現(xiàn)象及其成因；菲涅爾方程及其物理意義；單軸晶體中的雙折射及折射率橢球概念；光在晶體表面的折射和反射。1.3晶體光學(xué)器件尼科爾棱鏡、格蘭-湯姆遜棱鏡、格蘭-付科棱鏡、渥拉斯頓棱鏡、洛匈棱鏡、波片等晶體光學(xué)器件的工作原理。1.4偏振的矩陣表示偏振光的矩陣描述與疊加分析；偏振器件的矩陣描述；偏振光的產(chǎn)生與變換；偏振光的檢驗。1.5偏振光的干涉平行偏振光的干涉；匯聚偏振光的干涉。1.6磁光和電光效應(yīng)物質(zhì)的天然旋光性及其物理解釋；法拉第旋光效應(yīng)及其應(yīng)用；克爾電光效應(yīng)，泡克爾斯電光效應(yīng)；液晶的電光效應(yīng)。2023/2/19第六章光的偏振和晶體光學(xué)基礎(chǔ)6.1偏振光概述6.2光在晶體中的傳播6.3晶體光學(xué)器件6.4偏振的矩陣表示6.5偏振光的干涉6.6磁光和電光效應(yīng)2023/2/110自然光與部分偏振光自然光：具有一切可能的振動方向的許多光波之和，振動方向無規(guī)則性。

可用兩個振動方向垂直、強(qiáng)度相等、位相關(guān)系不確定的光矢量表示。部分偏振光：自然光傳播過程中，產(chǎn)生某一方向的振動比其它方向占優(yōu)勢的光，振動方向無規(guī)則性?？捎脙蓚€振動方向垂直、強(qiáng)度不相等、位相關(guān)系不確定的光矢量表示。光波是橫波—光矢量垂直于傳播方向2023/2/111部分偏振光的偏振度部分偏振光=完全偏振光+自然光偏振度：P=1——線偏光P=0——自然光0<P<1——部分偏振光2023/2/112完全偏振光偏振光：光矢量的大小和方向有規(guī)則變化的光。線偏振光：光矢量的方向不變，其大小隨位相變化。圓偏振光：光矢量大小不變，其方向繞傳播方向勻速轉(zhuǎn)動，且矢量末端軌跡在截面內(nèi)的投影為圓形。橢圓偏振光：光矢量大小和方向都在有規(guī)律地變化，且矢量末端軌跡在截面內(nèi)的投影為橢圓。光矢量可以分解為兩個互相垂直的分量偏振光的兩個分量有確定的位相關(guān)系自然光和部分偏振光的兩個分量沒有確定的位相關(guān)系2023/2/113左旋和右旋（橢）圓偏振光右旋左旋偏振面繞傳播方向隨時間以角頻率ω旋轉(zhuǎn)，光矢量末端的軌跡位于一個（橢）圓上。左旋右旋迎著光傳播方向觀察，光矢量逆時針轉(zhuǎn)動順時針轉(zhuǎn)動2023/2/114偏振光的數(shù)學(xué)描述線偏振光：圓偏振光：橢圓偏振光：δ=+π/2左旋δ=-π/2右旋0<δ<π

左旋π<δ<2π

右旋δ=±nπ

線偏振光偏振光可視為兩正交光矢量的疊加，依據(jù)二者的振幅和相位關(guān)系：2023/2/115自然光與偏振光線和圓偏振光是橢圓偏振光的特殊表現(xiàn)形式。自然光是部分偏振光的特殊表現(xiàn)形式。橢圓偏振光＝兩個振動合成，有穩(wěn)定的位相關(guān)系；部分偏振光＝兩個振動合成，無穩(wěn)定的位相關(guān)系。真正區(qū)分需借助其它輔助光學(xué)元件：1/4波片+偏振片2023/2/116偏振光的產(chǎn)生方法—反射和折射反射光為全偏振光

2023/2/117偏振光的產(chǎn)生方法—反射n2n1反射產(chǎn)生線偏振光2023/2/118偏振光的產(chǎn)生方法—折射光束以布儒斯特角入射，單次折反射產(chǎn)生的透射光是p波占優(yōu)勢的部分偏振光，以玻片堆進(jìn)一步提高偏振度，可獲得完全線偏振的透射光。2023/2/119偏振光的產(chǎn)生方法—偏振分光棱鏡依據(jù)布儒斯特角起偏原理，以多層光學(xué)薄膜代替玻片堆，實現(xiàn)偏振分光。以兩個斜面鍍膜的直角棱鏡，通過膠合制成偏振分光（PBS）立方體。2023/2/120偏振光的產(chǎn)生方法—材料的二向色性二向色性是指有些各向異性的晶體對于光的吸收本領(lǐng)除了隨波長改變外，還隨光矢量相對于晶體的方位而改變。天然晶體中，電氣石具有很強(qiáng)的二向色性。2023/2/121偏振光的產(chǎn)生方法—人造偏振片一些各向同性介質(zhì)在受到外界作用時也會產(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。PVA層浸染具有強(qiáng)烈二向色性的碘，拉伸之后，碘分子整齊排列在PVA膜上，具有起偏或檢偏性能。2023/2/122偏振光的產(chǎn)生方法—人造偏振片預(yù)處理工藝?yán)鞆?fù)合工藝2023/2/123偏振光的產(chǎn)生方法—散射型偏振片結(jié)構(gòu)：兩片具有特定折射率的光學(xué)玻璃（ZK2）夾著一層雙折射性很強(qiáng)的硝酸鈉（NaNO3）晶體。2023/2/124偏振光的產(chǎn)生方法—散射型偏振片制作過程：把兩片光學(xué)玻璃的相對面打毛，豎立在云母片上，將硝酸鈉溶液倒入兩毛面形成的縫隙中，壓緊二毛玻璃，擠出氣泡，使得很窄的縫隙為硝酸鈉填滿，并使溶液從云母片一邊緩慢冷卻，形成單晶，其光軸恰好垂直云母片，進(jìn)行退火處理后，即可截成所需要的尺寸。工作原理：由于硝酸鈉晶體對垂直其光軸入射的黃綠光主折射率為no=1.5854，ne=1.3369，而光學(xué)玻璃（ZK2）對這一波段光的折射率為n=1.5831，與no非常接近，而與ne相差很大，所以當(dāng)光通過玻璃與晶體間的粗糙界面時，o光將無阻地通過，而e光則因受到界面強(qiáng)烈散射以致無法通過。特點：散射型偏振片本身是無色的，對可見光范圍內(nèi)各種色光的透過率幾乎相同，又能做成較通光面積，特別適用于需要真實地反映自然光中各種色光成分的彩色電影、電視中。2023/2/125偏振光的產(chǎn)生方法—雙折射法格蘭棱鏡兩片方解石直角棱鏡以加拿大樹膠粘合，加拿大樹膠對鈉黃光的折射率為1.55，介于方解石的ne=1.486和no=1.658之間，并選取角度θ大于o光在面上的全反射臨界角，這樣o光發(fā)生全反射并被涂黑層吸收，透射光為完全偏振的e光。2023/2/126偏振光的產(chǎn)生方法—小結(jié)反射和折射反射法：光以布儒斯特角入射玻片折射法：光以布儒斯特角入射玻片堆或者多層薄膜材料的二向色性天然晶體的二向色性人造偏振片散射型偏振片雙折射法2023/2/127起偏和檢偏用于從自然光中獲得偏振光的器件稱為起偏器。用于鑒別光的偏振狀態(tài)的器件稱為檢偏器。偏振片既可用作起偏器，又可用作檢偏器。入射光起偏器P1檢偏器P2探測器E0E0cos2023/2/128馬呂斯定律馬呂斯定律：透射光強(qiáng)I=I0cos2θ馬呂斯定律驗證實驗裝置II0θ2023/2/129自然光、圓偏振光和部分圓偏振光在光路中插入檢偏器，屏上光強(qiáng)減半。檢偏器旋轉(zhuǎn)，屏上亮暗無變化。2023/2/130線偏振光檢偏器旋轉(zhuǎn)一周，光強(qiáng)兩亮兩暗（消光）。2023/2/131部分線偏振光、橢圓偏振光和部分橢圓偏振光檢偏器旋轉(zhuǎn)一周，屏上光強(qiáng)兩強(qiáng)兩弱。2023/2/132部分線偏振光檢偏器旋轉(zhuǎn)一周，屏上光強(qiáng)兩強(qiáng)兩弱。偏振度：2023/2/133偏振片的消光比檢偏器相對被測偏振片轉(zhuǎn)動時的最小透射光強(qiáng)與最大透射光強(qiáng)之比，稱為被測偏振片的消光比，消光比越小，偏振器件的質(zhì)量就越高。（一般人造偏振片的消光比約為0.001）II0θ

以對數(shù)表示消光比：單位：dB光纖通信系統(tǒng)中，光隔離器所用人造偏振片，消光比達(dá)到40dB以上。2023/2/134第六章光的偏振和晶體光學(xué)基礎(chǔ)6.1偏振光概述6.2光在晶體中的傳播6.3晶體光學(xué)器件6.4偏振的矩陣表示6.5偏振光的干涉6.6磁光和電光效應(yīng)2023/2/135晶體的雙折射現(xiàn)象光束在各向異性晶體中傳播時，由于晶體對兩個正交振動矢量的光的折射率不同而產(chǎn)生兩束折射光，這種現(xiàn)象稱為雙折射。2023/2/136晶體的光軸晶體中存在一個特殊方向，光沿此方向傳播時，不會發(fā)生雙折射現(xiàn)象，此方向稱為晶體的光軸。方解石晶體的光軸方向就是沿著它的一個鈍隅所作的等分角線方向，將兩個鈍隅磨平且保持平面與兩鈍隅連線垂直。光垂直入射磨平的表面時，將不會發(fā)生雙折射現(xiàn)象。如果晶體中只存在一個這樣的特殊方向，稱為單軸晶體，如方解石、石英、KDP等；自然界的多數(shù)晶體為雙軸晶體，如云母、石膏、藍(lán)寶石等。2023/2/137晶體的主截面主截面：晶體光軸與表面法線確定的平面。方解石晶體的光軸方向為兩個鈍隅的連線，對應(yīng)每個表面入射光束的主截面如下：2023/2/138o光和e光主平面o光主平面：o光光線與晶體光軸決定的平面。e光主平面：

e光光線與晶體光軸決定的平面。o光、e光主平面一般不重合，只有當(dāng)入射光線位于晶體主截面內(nèi)時，三者重合，如下右圖。2023/2/139o光和e光的光矢量o光和e光都是線偏振光；o光振動方向與o光主平面垂直，因而總與光軸垂直；e光振動方向在e光主平面內(nèi)，因而與光軸的夾角隨傳播方向而改變；當(dāng)光線在主截面入射時，主平面與主截面重合，則o光振動方向垂直于主截面，e光振動方向在主截面內(nèi)。2023/2/140晶體雙折射的成因材料折射率取決于介電常數(shù)，實質(zhì)是光波電磁場與材料的相互作用結(jié)果。物質(zhì)在外界電磁場作用下發(fā)生極化，如果物質(zhì)結(jié)構(gòu)本身是各向異性的，極化也是各向異性的。以方解石分子為例，氧離子在電磁場作用下產(chǎn)生電偶極矩，當(dāng)外加電場平行和垂直于分子平面時，電偶極子之間的相互作用呈現(xiàn)各向異性。許多非晶物質(zhì)，其分子、原子也存在不對稱性，但是由于其無規(guī)則排列，整體呈現(xiàn)各向同性。一些各向同性物質(zhì)在一定外力（電磁力或應(yīng)力）作用下，分子、原子排列出現(xiàn)一定規(guī)則性，從而呈現(xiàn)各向異性。方解石分子結(jié)構(gòu)外電場平行于分子平面外電場垂直于分子平面2023/2/141晶體的介電張量

各向異性介質(zhì)中的物質(zhì)方程：坐標(biāo)變換后的二階介電張量呈對角矩陣形式：

2023/2/142平面波在晶體中的傳播

2

2023/2/143菲涅爾方程及其解的意義基于二階介電張量，由Maxwell方程組得到：

可以證明兩束光波都是線偏振光，其D矢量相互垂直。由于一般情況下，兩束光波的D、E矢量不平行，因此這兩束光波有不同的光線方向。菲涅爾方程：從理論上闡明了雙折射的存在。2023/2/144單軸晶體的雙折射

2023/2/145折射率橢球

折射率橢球的物理意義：任意一條矢徑的方向，表示光波D矢量的一個方向，矢徑長度表示D矢量沿矢徑方向振動的光波的折射率。

2023/2/146正單軸晶體和負(fù)單軸晶體

2023/2/147正單軸晶體中的光波與折射率2023/2/148光波在晶體表面的折射惠更斯作圖法：晶面每個點作為子波源，畫出o光和e光的子波面，二者在光軸方向相切。所有子波面的公切線即為晶體中的波面，分別得到o光和e光的光線方向。o光的波法線與光線同向，e光的波法線方向可通過計算離散角來確定。Wo—o光波面Ko—o光波法線So—o光光線We—e光波面Ke—e光波法線Se—e光光線2023/2/149光波在晶體表面的折射

Wo—o光波面Ko—o光波法線So—o光光線We—e光波面Ke—e光波法線Se—e光光線2023/2/150光波在晶體表面的折射2023/2/151光波在晶體表面的反射如右圖所示，用惠更斯作圖法，畫出光波在單軸雙折射晶體中的反射情況。2023/2/152第六章光的偏振和晶體光學(xué)基礎(chǔ)6.1偏振光概述6.2光在晶體中的傳播6.3晶體光學(xué)器件6.4偏振的矩陣表示6.5偏振光的干涉6.6磁光和電光效應(yīng)2023/2/153尼科耳棱鏡利用光的全反射原理與晶體的雙折射現(xiàn)象制成的一種偏振儀器。取一塊長度約為寬度三倍的方解石晶體，將兩端切去一部分，使主截面上的角度為68度。將晶體沿著平面ABCD切開，切面垂直于主截面（圖中紅色）且經(jīng)過兩鈍隅A、C，再用加拿大樹膠粘合起來。前半個棱鏡中的o光射到樹膠層中產(chǎn)生全反射，e光不產(chǎn)生全反射，能夠透過樹膠層，所以自尼科爾棱鏡出來的偏振光的振動面在棱鏡的主截面。出射光與入射光不共線且孔徑角較小請計算尼科爾棱鏡的孔徑角？2023/2/154格蘭-湯姆遜棱鏡兩片方解石直角棱鏡以加拿大樹膠粘合，加拿大樹膠對鈉黃光的折射率為1.55，介于方解石的ne=1.486和no=1.658之間，并選取角度θ大于o光在面上的全反射臨界角，這樣o光發(fā)生全反射并被涂黑層吸收，透射光為完全偏振的e光。解決了出射光與入射光共線問題2023/2/155格蘭-付科棱鏡以空氣隙代替加拿大樹膠，θ介于o光和e光的全反射臨界角之間?？朔思幽么髽淠z不能承受高密度激光功率的問題。后者透過率高，為什么？qqAAeo0.56IIqqAAeo0.86II2023/2/156渥拉斯頓棱鏡光從棱鏡1進(jìn)入棱鏡2時，光軸轉(zhuǎn)了90°：o光變e光：光密光疏，折射角>入射角，偏離法線傳播e光變o光：光疏光密，折射角<入射角，靠近法線傳播2023/2/157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光沿同一方向行進(jìn)，折射率n2=no。進(jìn)入第二棱鏡后，光軸轉(zhuǎn)過90°，平行于圖面振動的e光在第二棱鏡中變?yōu)閛光，折射率變化n2(=no)no，這支光繼續(xù)沿原方向傳播。垂直于圖面振動的o光在第二棱鏡中變?yōu)閑光，折射率變化none，偏離原傳播方向。2023/2/158波片原理空氣晶體光軸ooee波片的光軸平行于晶面，光束正入射，o光和e光保持同向傳播，但傳播速率不同，產(chǎn)生時延和相位差δ。任意完全偏振光均可分解為兩個具有穩(wěn)定相位關(guān)系的正交偏振光。一束線偏振光入射在波片上，可分解為同相位的o光和e光，通過波片之后，產(chǎn)生一定的相位差，重新合成之后，偏振態(tài)與入射時不同。波片也可以對入射的圓偏振光和橢圓偏振光產(chǎn)生變換。

2023/2/159波片對偏振光的變換作用例1、線偏振光→線偏振光，偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。例2、線偏振光→橢圓偏振光。2023/2/160第六章光的偏振和晶體光學(xué)基礎(chǔ)6.1偏振光概述6.2光在晶體中的傳播6.3晶體光學(xué)器件6.4偏振的矩陣表示6.5偏振光的干涉6.6磁光和電光效應(yīng)2023/2/161偏振光的分解線偏振光橢圓偏振光2023/2/162偏振光討論

偏振光復(fù)振幅的一般表示：2023/2/163偏振光的矩陣表示任意完全偏振光總是可以表示為兩個固定相位關(guān)系的線偏振光的疊加：

瓊斯矢量

歸一化得到：

其中：歸一化的瓊斯矢量2023/2/164線偏振光的歸一化瓊斯矢量

2023/2/165圓偏振光的歸一化瓊斯矢量

2023/2/166橢偏振光的歸一化瓊斯矢量

2023/2/167偏振光的疊加偏振關(guān)的疊加可以通過瓊斯矩陣的疊加運(yùn)算進(jìn)行分析光矢量沿x軸和y軸的線偏振光的疊加

與x軸成45°角的線偏振光歸一化

歸一化

左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的疊加光矢量沿x軸方向的線偏振光2023/2/168偏振器件的矩陣表示

偏振器件入射光：經(jīng)過偏振器件出射光：輸入輸出關(guān)系：矩陣形式：偏振器件的瓊斯矩陣：如果偏振光依次通過N個偏振器件：

2023/2/169線偏振器的瓊斯矩陣

2023/2/170線偏振器的瓊斯矩陣

透光軸與x軸成θ角：透光軸沿x方向：透光軸沿y方向：透光軸與x軸成±45°角：

2023/2/171波片的瓊斯矩陣

快軸與x軸成θ角，產(chǎn)生相位差δG1G2G32023/2/1721/4波片的瓊斯矩陣

1/4波片，快軸沿x方向：1/4波片，快軸沿y方向：1/4波片，快軸與x軸成±45°角：

2023/2/173半波片的瓊斯矩陣

半波片，快軸沿x或者y方向：

半波片，快軸與x軸成±45°角：

與半波片快軸成θ角的線偏振光：變換之后仍為線偏振光，光矢量與半波片快軸成-θ角，即繞快軸發(fā)生鏡像。2023/2/174一般波片的瓊斯矩陣

一般波片，快軸沿x方向：一般波片，快軸沿y方向：一般波片，快軸與x軸成±45°角：

2023/2/175圓偏振器的瓊斯矩陣右旋：左旋：

圓偏振器結(jié)構(gòu)右旋圓偏振器左旋圓偏振器2023/2/176瓊斯矩陣的本征矢量

特征方程2023/2/177瓊斯矩陣的本征矢量例題：快軸沿y方向的1/4波片，求解其本征矢量。

光矢量與y軸平行的線偏振光光矢量與x軸平行的線偏振光解：2023/2/178瓊斯矩陣的應(yīng)用例題：設(shè)入射線偏振光的光矢量沿x方向，相繼通過兩個偏振器件，分別為快軸與x軸成45°角的一般波片（位相差δ）和快軸在x軸上的1/4波片，計算出射光的偏振態(tài)。

解：

2023/2/179偏振光的產(chǎn)生與變換變換后變換前線偏光圓偏光橢偏光自然光通過起偏器先通過一個起偏器，再通過一個快軸與起偏器成±45°的1/4波片先通過一個起偏器，再通過一個快軸與起偏器不成0°、±45°、90°的1/4波片線偏光/通過一個快軸與光矢量成±45°的1/4波片通過一個快軸與起偏器不成0°、±45°、90°的1/4波片圓偏光通過一個1/4波片/先通過一個1/4波片變成線偏光，再通過一個快軸與光矢量不成0°、±45°、90°的1/4波片橢偏光通過一個快軸與橢偏光長軸或者短軸一致的1/4波片先通過一個1/4波片變成線偏光，再通過一個快軸與光矢量成±45°的1/4波片/2023/2/180偏振光的檢驗無法區(qū)分2023/2/181第六章光的偏振和晶體光學(xué)基礎(chǔ)6.1偏振光概述6.2光在晶體中的傳播6.3晶體光學(xué)器件6.4偏振的矩陣表示6.5偏振光的干涉6.6磁光和電光效應(yīng)2023/2/182平行偏振光的干涉

入射線偏光在波片快慢軸上的分量：經(jīng)過波片之后：經(jīng)過檢偏器之后：P1P2

2023/2/183平行和垂直干涉系統(tǒng)只與干涉裝置的參數(shù)有關(guān)形成干涉背景與波片的光程有關(guān)形成干涉項

平行和垂直系統(tǒng)的干涉條紋是互補(bǔ)的。2023/2/184平行和垂直干涉系統(tǒng)

以單色光照明，干涉光強(qiáng)是均勻的，觀察不到條紋；旋轉(zhuǎn)波片，則出現(xiàn)4個極大位置和4個消光位置。平行與垂直干涉系統(tǒng)的極大和消光位置正好相反。以白光照明，干涉極大和消光取決于波長，因此觀察屏上呈現(xiàn)均勻的彩色，平行與垂直干涉系統(tǒng)的色系是互補(bǔ)的。2023/2/185楔形晶片的干涉

以單色光照明，等厚干涉條紋，條紋間距：2023/2/186匯聚偏振光的干涉L2L1L3L4觀察屏晶片P2P1晶片光軸垂直于晶面等傾干涉條紋2023/2/187匯聚偏振光的干涉垂直干涉系統(tǒng)平行干涉系統(tǒng)請根據(jù)偏振和干涉理論，闡述：為什么條紋是圓形的？為什么中間條紋間距大，而邊緣條紋間距??？為什么出現(xiàn)十字形暗紋？2023/2/188第六章光的偏振和晶體光學(xué)基礎(chǔ)6.1偏振光概述6.2光在晶體中的傳播6.3晶體光學(xué)器件6.4偏振的矩陣表示6.5偏振光的干涉6.6磁光和電光效應(yīng)2023/2/189物質(zhì)的旋光特性石英晶體中的旋光現(xiàn)象旋光檢測裝置旋光：當(dāng)一束線偏振光通過某種物質(zhì)時，光矢量的方向會隨著傳播距離的增大而逐漸轉(zhuǎn)動。α—旋光率迎著光線傳播方向觀察：左旋物質(zhì)—光矢量逆時針偏轉(zhuǎn)右旋物質(zhì)—光矢量順時針偏轉(zhuǎn)

2023/2/190旋光現(xiàn)象的物理解釋菲涅爾的唯象解釋：1）將入射線偏光看成是左旋、右旋圓偏光的合成2）左旋、右旋圓偏光在物質(zhì)內(nèi)部的折射率不同，因而從物質(zhì)中出射時獲得的位相差不等。2023/2/191旋光現(xiàn)象的物理解釋3）振幅合成引入?yún)⒘浚?023/2/192旋光現(xiàn)象的物理解釋4）結(jié)果討論若左旋圓偏振光傳播速度快，nL<nR，θ>0，光矢量向逆時針方向轉(zhuǎn)動；若右旋圓偏振光傳播速度快，nL>nR，θ<0，光矢量向順時針方向轉(zhuǎn)動。2023/2/193菲涅爾組合棱鏡實驗將左旋石英和右旋石英棱鏡交替膠合起來，石英晶體的光軸均平行于棱鏡底面；在相鄰棱鏡界面，比如從左旋棱鏡射到右旋棱鏡，對左旋圓偏光是從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)，對右旋圓偏光是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，二者偏向相反方向。經(jīng)過多個交替的棱鏡，兩束光逐次向相互分離的方向偏折，最后射出分得很開的左旋圓偏光和右旋圓偏光，實驗驗證了菲涅爾的唯象解釋。對旋光特性的本質(zhì)解釋，要考慮分子結(jié)構(gòu)，以量子理論分析光與物質(zhì)的相互作用。ABCDERRLLR1232023/2/194菲涅爾組合棱鏡實驗（a）普通的石英棱鏡，當(dāng)鈉黃光通過時，左旋和右旋部分之間夾角27″。（b）在一些精密光學(xué)儀器中，為避免因旋光造成光譜分裂，采用科紐棱鏡。（c）雙凸透鏡也可以由左旋和右旋兩個平凸透鏡膠合而成。2023/2/195磁致旋光效應(yīng)1846年，法拉第發(fā)現(xiàn)在磁場作用下，一些本來不具有旋光性的物質(zhì)也產(chǎn)生了旋光性，稱為磁致旋光效應(yīng)或者法拉第效應(yīng)。

V——維爾德常數(shù)；B—磁場強(qiáng)度；d——光在物質(zhì)中通過的距離

非均勻磁場中：2023/2/196幾種物質(zhì)的維爾德常數(shù)物質(zhì)溫度/℃V/[弧度/(特米)]磷冕玻璃輕火石玻璃水晶[垂直光軸]食鹽水磷二硫化碳TGG晶體[鋱鎵石榴石]18182016203320-4.899.224.8310.443.8138.5712.30352023/2/197法拉第效應(yīng)的非互易性旋光物質(zhì)的固有旋光性與光的傳播方向有關(guān)，光正向和反向傳播時，光矢量的偏轉(zhuǎn)方向相反。法拉第效應(yīng)的旋光方向決定于外加磁場方向，與光的傳播方向無關(guān)，即法拉第效應(yīng)具有不可逆性，或者非互易性。2023/2/198法拉第效應(yīng)的科學(xué)應(yīng)用自動測量量糖計：通過測量糖溶液的旋光角來測定濃度偏振器N1與N2正交，處于消光位置；糖溶液使光矢量發(fā)生偏轉(zhuǎn)；法拉第盒由螺線管和置于其中的維爾德常數(shù)較大的物質(zhì)組成；通過調(diào)節(jié)螺線管的電流，改變法拉第盒的旋光角，使系統(tǒng)重新回到消光位置；通過螺線管的電流，讀出糖溶液的濃度。通過引入法拉第盒，免去手動量糖計那樣轉(zhuǎn)動檢偏器。2023/2/199法拉第旋光非互易性的應(yīng)用兩個偏振片的透光軸成45°夾角，通過圓筒狀永磁環(huán)對旋光片施加磁場，旋光角為45°；旋光片材料是一種人造單晶薄膜：稀土鐵石榴石，起初旋光角隨磁場近似線性增加，當(dāng)磁場達(dá)到飽和值，旋光角也達(dá)到飽和，不再增加；飽和磁場是此人造單晶的固有屬性，飽和旋光角大小則取決于單晶薄膜的厚度。正向光經(jīng)P1后逆時針旋光45°，順利通過P2；反向光經(jīng)P2后逆時針旋光45°，光矢量與P1正交，被隔離。入射光