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第三章 光的偏振和光与物质的相互作用 光的电磁理论 光是一种电磁波， 是电磁场中电场强度E和磁场强度H的周期性变化在空间的传播，或者说，E矢量和H矢量的振动在空间的传播。一般而言，电磁波是横波，E矢量和H矢量都与传播方向垂直。 实验： 干涉和衍射 光的波动性 光的偏振 光的横波性 实验表明，产生感光作用和生理作用的是光波中的横向振动着的电矢量E: E矢量：光矢量 E振动：光振动 本章研究：光的偏振和光与物质的相互作用过程。 §3 - 1 自然光和偏振光 一 光的偏振态 纵波：通过波的传播方向所作的平面内的运动情况都是相同的，波的振动对传播方向具有对称性。 横波：把通过波的传播方向并包含振动矢量在内的平面称为振动面，波的振动方向对传播方向不具有对称性。 偏振：振动方向对传播方向的不对称性。这是横波区别于纵波的一个最明显的标志。 平面偏振光：光矢量的振动只限在包含传播方向的某一个确定的平面内，则这种偏振态称为平面偏振（线偏振），该平面称为偏振面。（图3 - 1 ( c )） 椭圆（圆）偏振光：当两振动面互相垂直并有固定位相关系的线偏振光叠加之后的光矢量，以圆频率ω作旋转运动，矢量端点描出一椭圆（图3 - 1 ( d )）。 右旋椭圆偏振光：光矢量顺时针旋转（迎着光线看） 左旋椭圆偏振光：光矢量反时针旋转（迎着光线看） 自然光：无限多个振幅相等、振动方向任意、彼此之间没有固定相位关系的光振动的组合。普通光源的发光来自大量原子的随机光辐射，每一波列的振幅、相位和振动方向都不能显示出在哪一个值和在哪一个方向上更占优势。普通光源所发出的光对于其传播方向轴对称分布，其光矢量在与光的传播方向垂直的平面(纸面)上的分布如图3- 1 ( a )所示。 部分偏振光：光波包括了一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不同。在某一方向上的振幅最大，与之正交的方向上振幅最小。图3- 1 ( b ) ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) ( e ) 图3- 1 自然光和偏振光的光矢量分布 二 二 偏振光的产生 射和折射时的偏振现象 自然光在任意两种各向同性介质的分界面上发生反射和折射时，反射光和折射光皆部分偏振光 2．二向色性 图3 - 2 二向色性 有些晶体对不同方向的电磁振动具有选择吸收的性质。天然的电气石晶体呈六角形的片状，长对角线的方向称为它的光轴。当光线照射在这种晶体的表面上时，振动的电矢量与光轴平行时被吸收得较少，光可以较多地通过；电矢量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得很少，如左图。 3．晶体双折射现象 图 3- 3 o光和e光 一束光在各向异性的晶体内分成了两束，它们的折射程度不同，这种现象通常称为双折射。 如图3 - 3所示，如果让一束平行的自然光正入射到一块方解石晶体的一个表面上，我们将发现该束光在通过方解石后被分解成了两束。 寻常光(o光)：晶体内符合普通折射定律的折射光线。 非常光(e光)：晶体内违背普通折射定律的折射光线(。 利用检偏器可以看出，从双折射晶体射出的这两束光都是线偏振光，它们的振动方向相互垂直。 §3 - 2 光的吸收 光与物质的相互作用（光与原子中电子的相互作用） 光的吸收、散射和色散现象 一 吸收定律 图3 - 4 光的吸收规律 光的吸收:通过物质时，光的强度随着穿进物质的深度而减小的现象。 在相当宽的光强范围内，有 , (3. 1) (a： 该物质的吸收系数。 若入射光强为I0，则通过厚度为d的物质后的光强为 , (3. 2) 布格定律表明，厚度等于1/(a的一薄层物质，可使光强减小到原来的1/e ( 36 %. 对可见光，大气压强下的 (a ≈ 10(5 cm(1 （空气） (a ≈ 10(2 cm(1； （玻璃） (a≈ 104 - 105 cm(1 （金属） 在显微镜下观察岩矿标本时，常把样品磨成很薄的薄片。 激光的出现，使人们能够掌握的光强比原来大了十几个数量级，光和物质的非线性相互作用过程显示了出来，这时吸收系数(a与折射率n等都依赖于光强，布格定律不再成立。 二 一般吸收和选择吸收 吸收光谱 物质对电磁波的吸收具有选择性。任何一种物质，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。 普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线和紫外线却都有强烈的吸收，是不透明的。 地球表面上的大气，尽管它对可见光和波长在300 nm以上的紫外线是透明的，但对红外线只在某些狭窄的波段内是透明的，它们称为大气窗口，在1 - 15 (m之间有7个大气窗口。此外，大气