大學(xué)物理：第十二章-光的偏振

1、 光的偏振本章教學(xué)要求： 理解自然光和線偏振光。理解布儒斯特定律及馬呂斯定律。了解雙折射現(xiàn)象。了解線偏振光的獲得方法和檢驗(yàn)方法。 了解圓偏振光、橢圓偏振光及偏振光的干涉。本章重點(diǎn)： 線偏振光,馬呂斯定律,布儒斯特定律。雙折射。本章難點(diǎn)：偏振光的獲得方法和檢驗(yàn)方法,布儒斯特定律雙折射.返回目錄下一頁(yè)上一頁(yè)12.1 自然光與偏振光光的偏振目錄12.3 反射和折射時(shí)的偏振 布儒斯特定律12.4 雙折射現(xiàn)象12.2 偏振片 起偏和檢偏12.5 利用雙折射現(xiàn)象產(chǎn)生偏振光的儀器返回總目錄第十二章 光的偏振Polarization對(duì)縱波而言，包含傳播方向與振動(dòng)方向所構(gòu)成的平面，哪一個(gè)都一樣，沒有一個(gè)顯示出與

2、另一個(gè)有什么區(qū)別或不同。稱之為：波的振動(dòng)方向?qū)鞑シ较蚓哂袑?duì)稱性。但對(duì)橫波而言，由傳播方向與振動(dòng)方向所構(gòu)成的平面，與包含傳播方向而不包含振動(dòng)方向的其它平面有區(qū)別。這種區(qū)別與不同稱之為：波的振動(dòng)方向?qū)鞑シ较虿痪哂袑?duì)稱性。這種不對(duì)稱性稱之為偏振。返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)12-1 自然光和偏振光 光的波動(dòng)性 光的干涉、衍射 .光波是橫波 光的偏振 .機(jī)械橫波與縱波的區(qū)別機(jī)械波穿過狹縫二線偏振光、自然光、部分偏振光光波是電磁波，實(shí)驗(yàn)表明：引起人的視覺或引起感光材料的光化學(xué)效應(yīng)主要是光波中的電矢量 所致，因此，電矢量 也稱為光矢量。返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)1）線偏振光 ：光矢量E只限于垂直于傳播方向的

3、某一確定平面內(nèi)的光（又稱為平面偏振光）。ZXYZXY表示：或表示：平行于紙面振動(dòng)垂直于紙面振動(dòng)振動(dòng)面光矢量(振動(dòng)方向)與傳播方向所構(gòu)成的平面返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè) 自然光 ：一般光源發(fā)出的光中，包含著各個(gè)方向的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等（軸對(duì)稱）這樣的光叫自然光 . 自然光以兩互相垂直的互為獨(dú)立的 （無(wú)確定的相位關(guān)系）振幅相等的光振動(dòng)表示 , 并各具有一半的振動(dòng)能量 .注意 各光矢量間無(wú)固定的相位關(guān)系 . 二互相垂直方向是任選的 .XY自然光-在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，光矢量對(duì)稱，光矢量振動(dòng)沿各個(gè)方向的概率相等。表示：在垂直于傳播方向的任意兩正交方向光矢量的平均值相等。結(jié)論：自然光

4、的橫波性被發(fā)光的隨機(jī) 性所破壞或掩蓋。3）部分偏振光光矢量的平均值在某一方向上最強(qiáng)，與之垂直的方向上最弱的偏振光。返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)表示：3）部分偏振光光矢量的平均值在某一方向上最強(qiáng)，與之垂直的方向上最弱的偏振光。/于紙面的光振動(dòng)的平均值垂直于紙面的光振動(dòng)的平均值。于紙面的光振動(dòng)的平均值平行于紙面的光振動(dòng)的平均值。XY返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)右旋圓偏振光右旋橢圓偏振光 y yx z傳播方向 /2xE某時(shí)刻右旋圓偏振光 E 隨 z 的變化 04） 圓偏振光, 橢圓偏振光頻率相同、相位差 恒定而振動(dòng)方向相互垂直的兩列光波迭加后，在垂直于光波傳播方向的平面內(nèi)，光矢量以一定的頻率旋轉(zhuǎn)，其端點(diǎn)的運(yùn)

5、動(dòng)軌跡通常是一個(gè)橢圓，稱這種合成光波為橢圓偏振光 當(dāng)兩線偏光的振幅相等，即Ax=Ay，且=(2k+1)/2時(shí)，軌跡由橢圓變?yōu)閳A，稱為圓偏振光；當(dāng)=k時(shí)，光振動(dòng)軌跡變?yōu)橹本€，成為線偏振光。 一）起偏與檢偏起偏-從自然光獲得偏振光檢偏-檢查某束光是否是偏振光；起偏振器-從自然光獲得偏振光的裝置；檢偏振器-檢查某束光是否是偏振光的裝置。二）偏振片及其起偏檢偏1）何謂偏振片透明玻璃片涂有金雞納霜或碧硒（電氣石）等材料的簿膜Polarizer and polarization analyzer、Malus law返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)12-2 偏振片 馬呂斯定律 二）偏振片及其起偏檢偏1）何謂偏振片透

6、明玻璃片涂有金雞納霜或碧硒（電氣石）等材料的簿膜自然光偏振光偏振化方向具有豎直偏振方向的偏振膜。吸收了水平方向的光振動(dòng)返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)2）偏振片的用途A）作起偏振器IsIs/2B）作檢偏振器偏振光變暗自然光不變暗IsIs/2Is/2Is自然光Is/2I0/2返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)3)馬呂斯定律P1 若P1 P2的偏振化方向間的夾角不為0，也不為90度，則出射的光強(qiáng)為多少？垂直方向的分量被偏振片吸收，故出射的光強(qiáng)：或：Is自然光Is/2= I0變暗EE/Is/2P2 設(shè)自然光通過P1后的振幅為E0，則光強(qiáng) 振動(dòng)分解有：返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)馬呂斯定律：強(qiáng)度為I0的線偏振光透過偏振片

7、后強(qiáng)度變?yōu)镮=I0cos2。（為入射的偏振光的振動(dòng)方向與偏振片偏振化方向間的夾角。）EE/I=I0cos2線偏振光通過偏振片后I01.光強(qiáng)改變2.仍然為線偏振光,但振動(dòng)方向改變 角度.返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)P(yáng)1P2例：一束自然光，光強(qiáng)度為I0，讓其出射兩個(gè)偏振片， 兩個(gè)偏振片之間的夾角為450，求從第二個(gè)偏振片出射的偏振光強(qiáng)度。解：I0自然光I0/2返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)【例12-2】 如例12-2圖(a)所示，在兩塊偏振化方向相互垂直的正交偏振片P1和P3之間插入另一塊偏振片P2，光強(qiáng)為I0的自然光垂直入射于偏振片P1，求轉(zhuǎn)動(dòng)P2時(shí)，透過P3的光強(qiáng)與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系

8、。一）反射和折射光中的偏振現(xiàn)象1、反射光中垂直振動(dòng) 強(qiáng)于平行的振動(dòng)；2、折射光中平行的振 動(dòng)強(qiáng)于垂直振動(dòng)；3、反射光折射光偏振 化的程度隨入射角 的不同而不同。它 們都是部分偏振光.n2n1Polarization of reflection and refraction.Brewsters law返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)12-3 反射和折射光的偏振 布儒斯特定律 二）布儒斯特定律（1812年）當(dāng)入射角 等于一特定角 時(shí)，使之滿足： 時(shí)，反射光只有垂直于入射面的振動(dòng),變?yōu)榫€偏振光.這個(gè)特定的角稱為 布儒斯特角；此時(shí)折射光仍為 部分偏振光；入射角為起偏振角 時(shí)，反射光與折射 光互相垂直。n2n1

9、注意：返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)入射角為起偏振角 時(shí)，反射光與折射 光互相垂直。證明：由折射定律：式（1）（2）對(duì)照：（證畢！）n2n1注意：由布儒斯特定律：返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)解決辦法：多次反射 和折射。玻璃堆：?jiǎn)栴}：1）反射光強(qiáng)一般較??；2）折射光仍為部分偏振光。n2n1通過反射與折射獲得偏振光返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)n1n2n1n2入射角為布儒斯特角時(shí)：由布儒斯特定律：即：當(dāng)光從折射率為n2的介質(zhì)(玻璃)入射到折射率為n1(空氣)的介質(zhì)時(shí)，反射光仍為偏振光。證明,玻璃下表面的反射光仍為偏振光：返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)例12-3 一束自然光入射到折射率分別為n1和n2的兩種介質(zhì)的交界面上

10、，發(fā)生反射和折射。已知反射光是完全偏振光，求折射角r的值。 解：二）雙折射現(xiàn)象自然光O光e光雙折射雙折射雙折射方解石雙折射現(xiàn)象-同一束光線在晶體的界面上產(chǎn)生折射，晶體內(nèi)的折射光分為兩束。二）尋常光和非尋常光（1687年惠更斯研究）1）兩束光均是線偏振光，一束叫尋常光（O光） 一束叫非尋常光（e光） 2）O光遵守折射定律，而e光不遵守所知的折射 定律。11.4 雙折射現(xiàn)象 (Double Refraction)返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)O光e光二）尋常光和非尋常光（1687年惠更斯研究）與入射角i有關(guān),隨i 而變，折射光線不一定在入射面內(nèi)。對(duì)O光：對(duì)e光：（與入射角無(wú)關(guān) 且為定值）e光在晶體中傳播

11、光速是一變化值。原因自然光方解石返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)三）晶體的光軸、主截面、主平面7878681021）光軸-當(dāng)光在晶體中傳播時(shí)，不發(fā)生雙折射 的方向。光軸對(duì)方解石而言：光軸是從102 純角引直線，使之和它各邊 成等角68的直線（OO）注意：光軸僅代表一個(gè)方向， 與OO平行的線都是光軸。有兩個(gè)光軸的晶體稱雙晶體（云母、硫磺等）僅有一個(gè)光軸的晶體稱單晶體（如方解石、石英）OO返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)2）o光e與光在晶體中的光速與折射率（2）在垂直于光軸方向，o,e兩光傳播速度差別最大設(shè)該方向e光速度為ve,e光在該方向的折射率為O光在晶體中的折射率都為：我們稱no、ne為主折射率。（2）e光

12、在晶體中的傳播速度介于vo與ve之間；e光在晶體中的折射率介于no和ne之間.（1）o光在晶體中的傳播速度為vo；o光的折射率為no.結(jié)論：返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)光軸3）主截面-晶面法線與光軸組成的平面主截面是由許多平行平面構(gòu)成。4）主平面-光軸和晶體內(nèi)任一條折射光線組成的平面。O光與e光都有各自的主平面，入射面在主截面內(nèi)時(shí)，O光e光的主平面重合并同在主截面內(nèi)。注意： 入射面在主截面內(nèi)時(shí),o光e光的振動(dòng)方向互相垂直且o光為振動(dòng)方向垂直于主截面的偏振光（即與光軸垂直）；e光為振動(dòng)面平行于主截面的偏振光。1027878返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)78光軸入射面在主截面內(nèi)時(shí)，o光e光的振動(dòng)方向互相垂直

13、，且o光為振動(dòng)方向垂直于主截面的偏振光；e光為振動(dòng)方向在主截面的偏振光；78O光e光說(shuō)明：返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)78不同的晶體，e光折射率：讓光垂直于光軸入射，對(duì)n e可以也可也可v0正晶體-負(fù)晶體-在晶體內(nèi)一個(gè)點(diǎn)波源發(fā)光的波陣面：78光軸正晶體負(fù)晶體o光e光光軸5）負(fù)晶體與正晶體光軸返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)四）用惠更斯原理解釋雙折射現(xiàn)象先明確一個(gè)概念：在各向同性的介質(zhì)中，波面法線與光線的方向一致，即光線與波面垂直光線是能量傳播的方向。但在各向異性介質(zhì)中，光線只是能量傳播的方向。波面法線并不一定是光傳播的方向了。如晶體中e光傳播的方向就不一定與波陣面垂直，光傳播的方向要看能量傳播的方向。返回

14、本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)o光e光晶體光軸光軸（負(fù)晶體）1）入射面與主截面平行的情況A）光軸與晶體表面有一夾角（斜入射）返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)（負(fù)晶體）1）入射面與主截面平行的情況B）光軸與晶體表面有一夾角（正入射）自然光光軸返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)（負(fù)晶體）C）光軸與晶體表面平行（正入射）自然光o光e光光軸O e二光通過厚度d的光程差：四分之一波片二分之一波片（半波片）結(jié)論：有雙折射。返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)自然光o光e光光軸（負(fù)晶體）D）光軸與晶體表面垂直（正入射）A）光軸與晶體表面平行（斜入射）（負(fù)晶體）2）入射面與主截面垂直的情況返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)o光e光光軸自然光負(fù)晶體o光e光光軸朝左看看到了！光軸A）光軸與晶體表面平行（斜入射）（負(fù)晶體）2）入射面與主截面垂直的情況返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)AACD D五）偏振棱鏡自然光光軸6871裝置：o光e光76CFFCABNMDFEBAD將方解石晶體兩端的天然晶面磨成與棱邊CD成68角，然后將晶體沿AMDN剖開，再用加拿大樹膠將剖面粘合即成方解石1）尼科爾棱鏡（WNicol 1928年）返回本章目錄下一頁(yè)上一頁(yè)AABCC自然光光軸6871no=1.658ne=1.486o光e光n樹膠=1.55076DO光以76入射到阿拉伯樹膠，產(chǎn)生全反射后被