§5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。 单色自然光 P C  它们能否干涉？ 不能干涉！ 因为振动方向 相互垂直。 怎样才能看到干涉？

5偏振光的干涉 5.1偏振光干涉原理 双折射晶片 光轴 起偏器 检偏器 单色自然光

偏振光干涉的实验装置 P1 ：把自然光转变为线偏振光. d ： 分解光束(将入射线的偏振光分解成振动方向互相垂直的o光和e光)和相位延迟。 P2 ：把两束光(o光和e光)的振动引导到相同方向上。

线偏振光干涉的强度分布 e A1 P2 Ee2 Ee ：P1的透振方向与波片光轴的夹角； ：P2的透振方向与波片光轴的夹角； O P2 P1 E1 Eo Eo2 Ee Ee2 e ：P1的透振方向与波片光轴的夹角； ：P2的透振方向与波片光轴的夹角； ：从P2出射的两束光之间的相位差. A1

o光和e光的相位差由三个因素决定 （1）刚进入波片表面时，o光和e光的相位差 （2）波晶片引起的相位差 （3）坐标轴投影引起的相位差 e轴和o轴的正向对P2轴的两个投影分量方向一致，则 e轴和o轴的正向对P2轴的两个投影分量方向相反，则

线偏振光干涉的强度分布 P1 O e P2 的透振方向互相垂直时，   P1 O e P2 的透振方向互相平行时，

5.2 色偏振（chromatic polarization） 给定波晶片， Δ 与d一定，如果某单色光的波长λ1满足 但此时对于另外一单色光的波长λ2满足

则：屏上由 若白光入射，且晶片d 均匀， 于某种颜色干涉相消，而呈现它的互补色， 这叫（显）色偏振。 蓝色（485.4nm）相消 互补色：任何两种彩色如果混合起来能够成为白色，则其中一种称为另一种的互补色。 蓝色（485.4nm）相消 →黄色（585. 3 nm）。 红色（656.2 nm）相消 →绿色（492.1nm）； 若d不均匀，则屏上出现彩色条纹。 色偏振是检验材料有无双折射效应的灵敏方法,用显微镜观察各种材料在白光下的色偏振，可以分析物质内部的某些结构. —偏光显微术。

硫代硫酸钠晶片的色偏振图片

5.3 偏振光的干涉条纹  若单色自然光入射，且晶片为尖劈状（厚度 d 不均匀） ，则屏上会出现平行的等厚干涉条纹： 单色自然光 P2 C  P1  屏 (或眼睛看) 若白光入射，且晶片的厚度 d 不均匀，则屏上出现彩色条纹。

石英劈尖的偏振光干涉（等厚条纹）

例 两尼可耳棱镜的透振方向夹角为 ，在两尼科耳棱镜之间 例 两尼可耳棱镜的透振方向夹角为 ，在两尼科耳棱镜之间 加入一四分之一波片，波片的光轴 方向与两尼科耳棱镜 夹角的平分线平行，强度为 的单色自然光沿轴向通过这一系统． （1 ）指出光透过λ/4波片后的偏振态； （2 ）求透过第二个尼可耳棱镜的光强度和偏振性质（忽略反射和介质吸收）． 解：（1 ）自然光经过尼可耳棱镜，成为线偏振光，强度为 ． ．线偏振光的振动方向与光轴夹角为 ，进入晶体后分解为o光和e光， 600 C N1 N2 A Ae Ao Ae2 Ao2 由于/4波片Ｃ使o光和e光产生/2的相位差，所以过Ｃ后 成为椭圆偏振光．

和 在Ｎ2的透振方向上投影，产生干涉．两相干线偏振光的振幅分别为 （２）尼可耳棱镜Ｎ2前是椭圆偏振光 和 在Ｎ2的透振方向上投影，产生干涉．两相干线偏振光的振幅分别为 由于投影引起的附加相位差，故两相干光的相位差为（0）。 为什么？ 过Ｎ2后的相干光强为 600 C N1 N2 A Ae Ao Ae2 Ao2 出射光为线偏振光．

人工双折射 一.应力双折射（光弹性效应） 人工双折射是用人工的方法造成材料的 各向异性, 从而获得双折射的现象。 将有机玻璃加力，发现有机玻璃变成各向异性。 加力的方向即光轴的方向。 在观察偏振光干涉的装置中，将有机玻璃取代晶片： P1 P2  · d F S 干涉 有机玻璃 C

实验发现（在一定应力范围内）： 应力双折射效应引起的相位差： 若应力均匀,则观察到均匀的干涉光强. 若应力不均匀： 各处 F/S不同 → 各处  不同 → 各处干涉情况不同 → 出现干涉条纹。 应力变化大的地方,条纹密; 应力变化小的地方,条纹疏。

应用： 通过光弹性效应，研究材料内部的 应力情况。 例如. 设计大吊钩时，要知道实际使用时侯 内部的应力分布情况。 可用透明的环氧树脂制成模拟吊钩， 通过光弹效应，了解内部应力的分布。 例如. 检查透镜等透明的元件内部的剩余应力 的情况。

钓钩的光弹图象 模型的光弹图象

二.电致双折射（电光效应） 1. 克尔效应 装硝基苯液体(C6H5NO2)的小容器叫克尔盒。 将克尔盒加电场，发现硝基苯变成各向异性。 加电场的方向即光轴的方向。 在观察偏振光干涉的装置中，将克尔盒取代晶片： l + - 45 P1 P2 克尔盒 d

加电场 → 液体各向异性（由于分子定向排列） 呈单轴晶体性质，光轴∥ ； 不加电场 → 液体恢复各向同性 → P2不通光（ ）。 加电场 → 液体各向异性（由于分子定向排列） 呈单轴晶体性质，光轴∥ ； 通光。 → 实验发现有 E —电场强度，k —克尔常数 对硝基苯(C6H5NO2)

克尔效应引起的相位差为： 它正比于U2, 因此也称为二次电光效应。 引起相位差为 的电压，称为半波电压。 这时克尔盒相当于一块半波片。

光开关 应用: 当U=0时， ,光通不过 P2, 关！ 当U为半波电压时，克尔盒使线偏振光的振动面 l + - 45 P1 P2 克尔盒 d 当U=0时， ,光通不过 P2, 关！ 当U为半波电压时，克尔盒使线偏振光的振动面 转过 2 =900，光正好能全部通过 P2，开！ 克尔盒的响应时间极短，每秒能够开关109次。 可用于高速摄影（快门）、光脉冲测距、

光通讯 若U 为信号电压，则U 的变化引起 的变化， 也引起通过 P2 的光强的变化，也就是信号电压 调制了光强。 而光强的变化可传递信息，如 用于激光光纤通讯。 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。 现用 KDP 晶体(磷酸二氢钾)替代克尔盒。

2. 泡克尔斯效应 用 KDP 晶体(磷酸二氢钾) 取代克尔盒。 · 该晶体是单轴晶体， - + 。 电极K，K’透明。 2. 泡克尔斯效应 KDP晶体 + 。 - P1 P2 K K · 用 KDP 晶体(磷酸二氢钾) 取代克尔盒。 电极K，K’透明。 该晶体是单轴晶体， 不加电场时光沿光轴传播，当然没有双折射现象。 ∴没有光透过 P2。 又 加电场 →该晶体变双轴晶体， →产生了双折射现象。 →就有光透过P2。 …… 一次电光效应

三. 磁致双折射 应用： 超高速开关（响应时间小于10-9s）， 激光调Q， 显示技术， 数据处理… 类似于电场的克尔效应，某些透明液体 在磁场 作用下变为各向异性，其性质 类似于单轴晶体。 光轴平行于磁场，且有 ……二次磁效应 这种磁效应很弱，需要很强的磁场 才能观察到。

§6旋光现象 6.1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，其偏振面会旋转一定的角度。 光在各向异性媒质中传播时，除了产生折射现象外，还有 一种现象叫旋光，旋光效应最明显的晶体是石英（水晶）. 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，其偏振面会旋转一定的角度。 这种能使线偏振光的振动面发生旋转的性质 称为旋光性。

单色 l (不产生双折射) 自然光 P1 偏振化方向 P2 （原来消光） 光轴方向 石英 P’2 （现在消光） 若在 之间插入光轴垂直表面的石英晶片，则 后视场变亮， 说明经过石英晶片后偏振状态发生了变化，但还不能具体判断。 将 转动 角度后，视场又恢复黑暗，说明经石英晶片后的光 仍为线偏振光，只是其振动面比入射时转了 角度——即旋光现象。

具有旋光性的物质：如石英晶体、许多有机溶液： 如蔗糖的水溶液、酒石酸溶液、松节油等。   旋光物质 l 实验规律：  —旋光率； 取决于入射光的波长和旋光物质。 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。 是什么原因产生了旋光性？

 石英晶体有左旋,右旋两类, 是因为 它们的分子（SiO2）的空间排列方式有左旋, 右旋两种螺旋形结构，互为镜象。 右旋晶体 左旋晶体 石英 光 轴

 有机溶液的左、右旋光性是因为其中一个个 分子本身具有类似螺旋状结构引起的。  发现人工合成的有机物总是有数目相等的左旋、 右旋体，而天然的有机物却不是这样。 例如，天然的蔗糖分子,不论是从甘蔗来的还是 从甜菜来的,都是右旋的。生物体体内的 葡萄糖也是右旋的。 生物体总是选择右旋糖消化吸收， 而对左旋糖不感兴趣。

例如，从天然物中提取的氯霉素药能治病, 它是左旋的。 人工合成的氯霉素总是左旋,右旋各一半， 只有左旋的有疗效 ------价格只是天然氯霉素的一半。 为什么生物体会对物质旋光性有选择？ 追到更深层次， 涉及到组成蛋白质的多种氨基酸 和携带 生物遗传密码的DNA分子的 结构旋向问题，…… -----涉及人们最感兴趣的生命起源的问题。

6.2 菲涅耳对旋光性的解释： 线偏振光可看作是同频率、等振幅的左(L)、右(R)旋圆偏振光的合成.  · o 入射时R ， L 初相为 0， (a) (b)  l 出射面 入射面 设:旋光物质长 l , 出射时它们的相位比 入射面处的相位落后。

在出射面上，它们的相位， 分别比入射面处的相位落后 看旋转矢量图，有： (a) (b)  l 出射面 入射面 EL ER (a) (b)

令 旋光率（与入射光的 波长和旋光物质有关） 所以就有 由上式看出， 时， （逆时针转）， 即振动面向左旋（面对着光看）。 同一时刻 EL ER (a) (b) R L  同一时刻 令 旋光率（与入射光的 波长和旋光物质有关） 所以就有 由上式看出， 时， （逆时针转）， 即振动面向左旋（面对着光看）。

光密媒质光疏媒质，光将远离界面法线折射。 右旋光速度由大变小，将靠近界面法线折射。 菲涅耳进行了如下实验， 证实了自己的假设。 如图示，用左旋型（L）和右旋型（R）的 石英棱镜交替胶合成多级组合棱镜。 R L R L 光从 R 进入 L 时，左旋光速度由小变大， 光密媒质光疏媒质，光将远离界面法线折射。 右旋光速度由大变小，将靠近界面法线折射。 各界面继续使左右旋圆偏振光分开的角度放大， 射出棱镜时就成了两束分开的圆偏振光。

6.3 旋光晶体内的波面（略） 6.4 量糖术 利用规律： 对溶液 式中 据此可制成“量糖计” ，测糖溶液的浓度C。 其他应用：分析化工产品、药剂中的 左、右旋光异构体的成分等。

6.5 磁致旋光 利用人工方法也可产生旋光性，其中最 重要的是磁致旋光，也称为法拉第旋光， 是法拉第1846年发现的。 磁致旋光 样 品 P1 P2 水、二硫化碳、食盐、乙醇等都是磁致旋光物质。

V：费德尔常量 应用： 磁致旋光效应也能用于光通讯: 若磁场B是由信号电流 i 产生的, 信号电流 i 的变化  磁场 B 的变化,   l 磁致旋光物质 B V：费德尔常量 应用： 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。 -------光通讯的原理

反射镜 入射光  左旋 自然旋光物质 反射镜 反射光  左旋 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

对磁致旋光物质，光沿 与逆 方向传播， 振动面旋向相反。 反射镜 入射光  左旋 B 磁性旋光物质 反射镜 反射光  右旋 B

· · “波动光学”全部结束 光隔离器： 令 = 45°， 则 2 = 90， 反射光通不过P 这样可以消除反射光的干扰。 B P M  磁致旋光物质 · 令 = 45°， 则 2 = 90， 反射光通不过P 这样可以消除反射光的干扰。 磁致旋光效应的应用： ▲ 研究物质结构 ▲ 测电流和磁场 ▲ 磁光调制 “波动光学”全部结束

菲涅耳复合棱镜