第23章 2 光的偏振

光的偏振（二）1 ABCD为方解石晶体的截面，光轴z在截面内，一束自然光垂直入射(如图所示)，根据惠更斯作图法定性画出光的传播方向与偏振状态。

解：光轴在入射面（主截面）内，与晶面斜交；光线正入射。

光线分解为垂直于入射面的o 光和平行于入射面的e光。

在晶体内，o光子波波面是球面；e光子波波面是椭球面。

方解石晶体是负晶体，垂直于光轴方向是椭球面的长轴，平行于光轴方向是椭球面的短轴。

由此，可以画出o光和e光在晶体内的子波波面。

子波波面的包络就分别是o光和e光在晶体内的波面。

由光线入射点到o光子波波面的包络与o光子波波面的切线的切点，就是o光在晶体内的传播方向；由光线入射点到e光子波波面的包络与e光子波波面的切线的切点，就是e 光在晶体内的传播方向。

晶体的出射面与入射面平行，因此，o光和e光都垂直于出射面出射。

o光的振动垂直于入射面；e光的振动平行于入射面。

2 一束线偏振光射入双折射晶体，在晶体内光［］。

A．一定分解为o光和e光；B．一定只有为o光：C．一定只有e光；D．分解为o光和e光或只有为o光或只有e光这三种情况都有可能。

答：［D］解：三种情况都有可能。

举例说明。

如图当入射的偏振光是平行于入射面振动时，在晶体内只有e光；当入射的偏振光是垂直于入射面振动时，在晶体内只有o光；当入射的偏振光既不平行于入射面振动，也不垂直于入射面振动时，分解为o光和e光。

3 线偏振光在长为L 、旋光率为α的天然旋光物质中往返一次，其光矢量旋转角=ψ［ ］。

A ．0B ．αL 2C ．αL答：［A ］解：线偏振光通过天然旋光物质，当光的传播方向改变时，物质左旋或右旋性质不变。

如图所示的左旋物质，入射反射面时，迎着光线看，是左旋；反射后，迎着光线看，还应该是左旋，光矢量振动面又旋回到原来的振动面。

因此，线偏振光在天然旋光物质中往返一次，其光矢量旋转角为零。

4 晶体对波长为0λ的单色光的主折射率分别为o n 、e n ，当光沿着光轴传播时，o 光的波长为 、e 光的波长为 ； 当光垂直光轴传播时，o 光的波长为 、e 光的波长为 。

光的干涉衍射与偏振光是一种电磁波，具有波粒二象性。

在传播过程中，光可以发生干涉、衍射和偏振等现象。

本文将就光的干涉衍射与偏振进行探讨，并介绍相关实验和应用。

一、光的干涉1. 干涉现象光的干涉是指两束或多束光波相互叠加产生明暗条纹的现象。

当两束光波相遇时，根据相位差的不同，会出现增强或相消干涉。

光的干涉分为相干光的干涉和非相干光的干涉两种情况。

2. 干涉实验常见的干涉实验有杨氏双缝干涉实验、牛顿环实验等。

其中，杨氏双缝干涉实验通过用一块光栅，或者两条狭缝让光通过后形成干涉条纹，可以直观地观察到干涉的现象。

3. 透明薄膜的干涉透明薄膜的干涉是指光在两个介质交界处发生反射和透射时，由于反射光和透射光路径不同而发生干涉。

常见的例子是油膜的彩色条纹和肥皂泡的彩色环。

二、光的衍射1. 衍射现象光的衍射是指光通过一个孔或经过一个缝隙时，光波传播方向发生偏折的现象。

这是由于光的波动性质造成的。

2. 衍射实验常见的衍射实验有单缝衍射实验、双缝衍射实验等。

其中，双缝衍射实验可以通过两个狭缝让光通过后形成干涉条纹，观察到光的衍射现象。

3. 单缝衍射和多缝衍射单缝衍射和多缝衍射是光的衍射的两种基本情况。

单缝衍射下，光波经过一个狭缝后形成的衍射图样是一组等距的亮暗条纹。

多缝衍射下，光波经过多个狭缝后形成的衍射图样有更加复杂的亮暗条纹。

三、光的偏振1. 偏振现象光的偏振是指光波中的振动方向具有选择性的现象。

一束未偏振的光中的光波振动方向是各种方向都有的，而偏振后的光则只在特定方向上振动。

2. 偏振实验常见的偏振实验有偏振器实验、马吕斯定律实验等。

其中，偏振器实验可以通过使用偏振片来实现光的偏振，并通过观察光的传播方向和强度的变化来研究偏振现象。

3. 产生和应用偏振光偏振光可以通过偏振片、波片等光学元件产生。

偏振光在日常生活中有许多应用，比如3D电影中的立体效果、太阳眼镜中的消除光线反射等。

综上所述，光的干涉衍射与偏振是光的波动特性的重要表现。

大学物理实验报告
3. 鉴别各种偏振光的方法和步骤
【实验内容】
1． 测定玻璃对激光波长的折射率 2． 产生并检验圆偏振光 3．产生并检验椭圆偏振光
【数据表格与数据记录】
58308250211=-=-=ϕϕp i 57307250212=-=-=ϕϕp i
57307250213=-
=-=ϕϕp i 56306250214=-=-=ϕϕp i 58308250215=-=-=ϕϕp i 57307250216=-=-=ϕϕp i
56306250217=-=-=ϕϕp i
577
7
1=+⋅⋅⋅⋅+=
p p p i i i
5399.157tan tan === n i p
波长为632.8nm 时玻璃对于空气的相对折射率为1.5399。

现象：两次最亮，两次消光。

结论：圆偏振光
如果使检偏器的透振方向与暗方向平行，1/4波片与检偏器透振方向垂直或平行。

现象：两次亮光，两次消光 结论：椭圆偏振光
【小结与讨论】
1. 实验测的了63
2.8nm 时玻璃对空气的折射率为1.5399。

2. 单色自然光经过起偏器和检偏器，旋转检偏器一周，发现光电流相应出现两次消
光现象，是分析其原因。

答：当检偏器的偏振化的方向和检偏器的偏振化的方向为
2π和3
π
时，根据马吕斯定律θ2
0cos I I =可知，出现两次光强为零的情况，即光电流出现了2次消光现象。

3.自己设计实验进行了几种偏振光的检验的工作，搞清了几种偏振光的区别，以及怎样得到他们。

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图1 光的波动性一、光的干涉1.干涉区域内产生的亮、暗纹：⑴亮纹：屏上某点到双缝的光程差等于波长的整数倍，即δ= nλ（n=0，1，2，……）⑵暗纹：屏上某点到双缝的光程差等于半波长的奇数倍，即δ=（2n – 1）λ/2（n=0，1，2，……）2.相邻亮纹（暗纹）间的距离Δx= l λ / d 。

用此公式可以测定单色光的波长。

用白光作双缝干涉实验时，由于白光内各种色光的波长不同，干涉条纹间距不同，所以屏的中央是白色亮纹，两边出现彩色条纹。

练习1、在双缝干涉实验中，双缝到光屏上P 点的距离之差0．6μm ，若分别用频率为f 1=5.01014Hz 和f 2= 7．51014Hz 的单色光垂直照射双缝，则 P 点出现明、暗条纹的情况是（）A ．单色光f 1和f 2分别照射时，均出现明条纹B ．单色光f 1和f 2分别照射时，均出现暗条纹c ．单色光f 1照射时出现明条纹，单色光f 2照射时出现略条纹D ．单色光f 1照射时出现暗条纹，单色光f 2照射时出现明条纹2、在双缝干涉实验中以白光为光源，在屏幕上观察到了彩色干涉条纹，若在双缝中的一缝前放一红色滤光片（只能透过红光），另一缝前放一绿色滤光片（只能透过绿光），这时（ ）A ．只有红色和绿色的双缝于涉条纹，其它颜色的双缝干涉条纹消失B ．红色和绿色的双缝干涉条纹消失，其它颜色的双缝干涉条纹依然存在C 、任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏上仍有光亮D ．屏上无任何光亮3、 用绿光做双缝干涉实验，在光屏上呈现出绿、暗相间的条纹，相邻两条绿条纹间的距离为Δx 。

下列说法中正确的有A.如果增大单缝到双缝间的距离，Δx 将增大B.如果增大双缝之间的距离，Δx 将增大C.如果增大双缝到光屏之间的距离，Δx 将增大D.如果减小双缝的每条缝的宽度，而不改变双缝间的距离，Δx 将增大4、如图所示，一束白光从左侧射入肥皂薄膜，下列说法中正确的是（ ）A ． 人从右侧向左看，可看到彩色条纹．B ．人从左侧向右看，可看到彩色条纹C ．彩色条纹平行排列D ．彩色条纹竖直排列5、如图1是一竖立的肥皂液薄膜的横截面，关于竖立肥皂液薄膜上产生光的干涉现象的下涉陈述中正确的是（ ）A ．干涉条纹的产生是由于光线在薄膜前后两表面反射形成的两列光波的叠加B ．干涉条纹的暗纹是由于上述两列反射波的波谷与波谷叠加而成C ．用绿色光照射薄膜产生的干涉条纹间距比黄光照射时小D ．薄膜上干涉条纹基本上是竖立的6、用如图所示的实验装置观察光的薄膜干涉现象.图（a ）是点燃的酒精灯（在灯芯上洒些盐），图（b ）是竖立的附着一层肥皂液薄膜的金属线圈.将金属线圈在其所在的竖直平面内缓慢旋转，观察到的现象是 （ ）A ．当金属线圈旋转30°时,干涉条纹同方向旋转30°B ．当金属线圈旋转45°时,干涉条纹同方向旋转90°C ．当金属线圈旋转60°时,干涉条纹同方向旋转30°D ．干涉条纹保持不变7、劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图（1）所示.将一块平板玻璃放置在另一平板玻璃之上，在一端夹入两张纸片，从而在两玻璃表面之间形成一个劈形空气薄膜.当光垂直入射后，从上往下看到干涉条纹如图（2）所示.干涉条纹有如下特点：（1）任意一条明条纹或暗条纹所在位置下面的薄膜厚度相等；（2）任意相邻明条纹或暗条纹所对应的薄膜厚度差恒定.现若在图（1）装置中抽去一张纸片，则当光垂直入射到新的劈形空气薄膜后，从上往下看到的干涉条纹A.变疏B.变密C.不变D.消失8、市场上有种灯具俗称“冷光灯”，用它照射物品时能使被照物品处产生的热效应大大降低，从而广泛地应用于博物馆，商店等处，这种灯降低热效应的原因之一是在灯泡后面放置的反光镜玻璃表面上镀了一层薄膜(例如氟化镁)，这种膜能消除不镀膜时玻璃表面反射回来的热效应最显著的红外线。

光的偏振实验光的干涉和衍射现象表明光是一种波动,但这些现象还不能告诉我们光是纵波还是横波， 光的偏振现象清楚的显示了光的横波性。

历史上，早在光的电磁理论建立以前，在杨氏双缝 实验成功以后不多年，马吕斯（E.LMalus ）于1809年就在实验上发现了光的偏振现象。

【实验目的】1 •验证马吕斯定律；2. 产生和观察光的偏振状态；3. 了解产生与检验偏振光的元件和仪器； 4•掌握产生与检验偏振光的条件和方法。

【实验仪器】光源（白炽灯或可见光激光器）、起偏器、检偏器、光屏或光功率指示器、/4波片。

【实验原理】光波是一种电磁波，电磁波是横波，光波中的电矢量与波的传播方向垂直。

光的偏振现 象清楚的显示了光的横波性。

光波的电矢量E 和磁矢量H 相互垂直，且都垂直于光的传播方 向c （图1）。

通常用电矢量E 代表光的振动方向，并将电矢量E 和光的传播方向c 所构成的 平面称为光振动面。

我们知道光有五种偏振状态，即线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光、自然光和部分偏振 光。

在传播过程中，电矢量的振动方向始终在某一确定方向的光称为平面偏振光或线偏振光 （图2a ）o 光源发射的光是由大量分子或原子辐射构成的。

单个原子或分子辐射的光是偏振图IE,H ：c 三者之间的关系的，由于大量原子或分子的热运动和辐射的随机性，它 们所发射的光的振动面出现在各个方向的几率是相同 的。

一般说，在IX 秒内各个方向电矢量的时间平均值 相等，故这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称 为自然光（图2b ）。

在发光过程中，有些光的振动面在 某个特定方向上出现的几率大于其他方向，即在较长时 间内电矢量在某一方向上较强，这样的光称为部分偏振 光（图2c ）。

还有一些光，其振动面的取向和电矢量的大小随时间作有规图3a 椭圆偏振光的合成图2线偏振光、自然光及部分偏振光律的变化，电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹是椭圆或圆，这种光称为椭圆偏振光或圆偏振光(图3d)。

光的偏振原理高中物理
1、自然光与偏振光
（1）自然光：若光源发出的光，包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫自然光
（2）偏振光：在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定方向振动的光，叫偏振光
2、偏振片与透振方向：偏振片由特定的材料制成，每个偏振片都有一个特定的方向，只有沿着这个方向振动的光波才能通过偏振片，这个方向叫做“透振方向”
3、两种获得偏振光的的方法：
（1）让自然光通过偏振片
（2）自然光射到两种介质的交界面，如果光入射的方向合适，使反射光线和折射光线之间的夹角恰好是90°时，反射光和折射光都是完全偏振光，且偏振方向相互垂直，反射光的振动方向垂直于入射光与法线决定的平面，折射光的振动方向平行于入射光线与法线所决定的平面。

光的偏振惠更斯
光的偏振是指光波中振动方向的性质。

惠更斯（Christian Huygens）是17世纪的荷兰物理学家，他提出了一种波动理论，解释了光的传播和偏振现象。

在光的波动理论中，惠更斯认为光是通过介质中传播的波动，而这些波动是横向的。

他提出了惠更斯原理，该原理描述了光波的传播方式。

根据惠更斯原理，每个波前上的每一点都被认为是一个次波源，次波源发出的波在介质中传播形成新的波前。

这种波动模型可以用来解释光的传播、衍射和偏振等现象。

在光的偏振方面，惠更斯的理论在19世纪得到进一步发展。

光波的偏振是指在光的传播过程中，光波的电场振动方向的性质。

当光波中的电场振动仅在一个特定方向上时，我们称之为光波是偏振的。

光可以是未偏振的（电场在所有方向上振动）或是偏振的。

光的偏振对于许多应用是重要的，如在显微镜中、光学器件中以及通信领域。

光的偏振性质也与一些材料的光学特性密切相关。

在研究光学和电磁波行为时，了解光的偏振是很重要的。

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光的偏振与干涉：光的波动特性与干涉现象光的波动特性是物理学中一个非常重要的概念，光既可以看作是一种粒子（光子），也可以看作是一种波动。

正是光的波动特性赋予了光学研究以深入和广泛的空间。

一、光的偏振光的偏振指的是光波在传播方向上的振动方向。

普通光是无偏振光，它的振动方向在任何方向上都是随机的。

而偏振光则指的是其振动方向在某一平面上振动的光。

光的偏振可以利用偏振片实现。

偏振片的制备是通过让一束传播方向一致的普通光通过一种特殊的偏振材料而得到。

偏振光的应用十分广泛。

在摄影中，偏振滤镜可用于减少或消除反射，提高画面质量。

在3D电影和电视中，偏振光技术可以实现立体效果。

偏振光还可以用于检测透明材料的应力状态，提高材料的质量。

二、干涉现象干涉是光的波动性质的一种重要表现形式。

当两束或多束相干光波同时作用在同一点上时，它们会相互干涉而产生明暗相间的干涉条纹。

光的干涉现象通过光的波动学来解释。

其中的著名实验是托马斯·杨实验，他通过让光通过一个狭缝后再经过两个狭缝，形成了一组干涉条纹。

该实验证明了光是波动的，并提供了关于光的波动性质的重要线索。

基于这一实验的原理，人们能够更好地理解光的干涉及衍射现象，并将其应用于光学仪器的设计和原理。

另一个经典的干涉实验是迈克尔逊干涉仪。

它是利用光的干涉现象来测量非常小的长度的一种仪器。

通过对光的干涉条纹进行观察和测量，我们可以得出非常精确的长度值，这在科学研究和工程设计中具有重要意义。

三、光的波动特性与干涉现象的意义光的波动特性和干涉现象的研究对我们理解光的性质和应用提供了深入的认识。

首先，通过研究光的偏振现象，我们可以更好地理解光与物质之间的相互作用。

例如，在材料科学中，光的偏振可以用于检测材料的晶格结构和应力状态，为新材料的研发提供了宝贵的信息。

其次，光的干涉现象对我们理解光的传播和衍射提供了新的途径。

通过观察和研究干涉条纹，我们可以探索光的波动性质，并推导出光的传播速度、干涉现象的规律等重要参数。

激光的偏振“偏振”是各种激光器的普遍性质，这是由激光形成的原理决定的。

激光束是由激光器内发光介质粒子的受激辐射形成的。

受激辐射有鲜明的特点：外来光子照射激光上能级粒子时，粒子辐射出一个光子并跃迁到下能级，受激辐射所产生的光子与外来光子具有相同的相位、相同的传播方向和相同的偏振状态。

当激光器内受激辐射形成光子流时，一个模式光子流中的全部光子都具有相同的相位、相同的传播方向和相同的偏振状态。

这意味着一个激光纵模（频率）一定是偏振的。

同时，激光相邻纵模的偏振态或为平行或为垂直。

布儒斯特窗或Q调制电光晶体的使用是利用激光偏振的很好例证。

激光器“正交偏振”是指激光器两个相邻的频率具有互相垂直的偏振状态。

一对左右旋圆偏振的光也应看做正交偏振光。

一般说到“激光两正交偏振频率”时，其频差不是任意的，而是完全由激光腔长决定的。

本书研究的则是如何使激光器产生任意频差的两个正交偏振频率，以及这类激光器的结构、特性和应用。

第1章简洁而全面地介绍了激光器的一般原理。

第2章介绍历史上与正交偏振激光相关的成就，主要是塞曼双频激光器和环形激光器，而环形激光器又包括三镜激光陀螺、环形激光流量计和四频（四镜）环形激光器。

这些激光器并不都输出本书所专指的“正交偏振激光”，但它们和本书的“正交偏振激光”有一个共同的物理概念，即“激光频率分裂”现象——由一种物理效应把激光器的一个频率“分裂”成两个。

历史上这些激光器使用塞曼效应、旋光效应、磁光法拉第效应、Sagnac效应形成激光频率分裂。

从第3章起到第6章，介绍由双折射效应在驻波激光器（管）中进行激光频率分裂，形成正交偏振振荡和输出。

激光频率分裂所使用的双折射效应包括自然双折射效应、应力双折射效应、电光双折射效应等。

从1988年在Optics Communications发表第一篇文章开始，至今已发展成一个原理、器件、现象和应用系统完整的学术体系。

塞曼双频激光器的原理是在He Ne激光放电管上加磁场。