光學(xué)第六章完整版本

第六章

光的偏振§6-1光的偏振現(xiàn)象一.光的橫波性橫波:振動(dòng)方垂直于傳播方向光波是橫波，具有偏振性偏振性是橫波區(qū)別與縱波的重要標(biāo)志！二.幾種常見的光的偏振態(tài)光矢量在垂直于的平面上所具有的可能的狀態(tài)偏振態(tài)偏振光的振動(dòng)面光矢量方向和傳播方向所構(gòu)成的平面迎光看，光矢量的振動(dòng)始終沿著某一固定方向。1.線偏振光（平面偏振光）振動(dòng)過程中光矢量始終在一個(gè)平面內(nèi)2.自然光迎光看光矢量關(guān)于傳播方向是軸對(duì)稱的。為非偏振光普通光源發(fā)光光矢量大小：各方向上的振幅相等位相：彼此各不相關(guān)方向：在所有可能的方向上說明將所有振動(dòng)在任意兩個(gè)相互垂直的方向上投影有：為自然光的強(qiáng)度可用任意兩個(gè)振幅相等，振動(dòng)面相互垂直，彼此間無位相關(guān)系的線偏光表示3.部分偏振光迎光看，光矢量關(guān)于傳播方向不是軸對(duì)稱光矢量方向：在所有可能的方向上大?。焊鞣较蛏系恼穹幌嗟任幌啵罕舜烁鞑幌嚓P(guān)說明部分偏振光相當(dāng)于:自然光+線偏振光§6-2起偏與檢偏馬呂斯定律一.起偏與檢偏起偏:從自然光中得到線偏光的過程檢偏：檢查光的偏振情況所用儀器：偏振片只容許沿著某一特定振動(dòng)方向的光通過一束線偏光，其光矢量的方向與一偏振片的透振方向的夾角為，則從偏振片出射的光強(qiáng)為：二.馬呂斯定律若入射光為自然光說明出現(xiàn)兩明

和兩暗的變化入射光為線偏光出射光強(qiáng)恒定為當(dāng)偏振片迎光旋轉(zhuǎn)360。三.偏振度用來描述光的偏振程度的物理量將一偏振片迎光旋轉(zhuǎn)360。定義自然光部分偏振光無偏振部分偏振線偏振光完全偏振例題(p312[5.2])通過偏振片來觀察一束部分偏振光，當(dāng)偏振片由所對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)最大位置轉(zhuǎn)60。時(shí)，其光強(qiáng)減弱一半。試求：1）這束部分偏振光中自然光與線偏振光的強(qiáng)度比2）光束的偏振度例題三塊偏振片平行放置（如圖），P1的光軸方向與P3的垂直，一束平行的自然光垂直入射，忽略偏振片的吸收作用，旋轉(zhuǎn)P2(保持其平面方向不變）。求從P3出射的最大光強(qiáng)？§6-3光在透明介質(zhì)界面上的反射與折射一.布儒斯特定律（1815年）自然光以布儒斯特角入射到兩透明介質(zhì)的分界面上時(shí)：反射光為

入射面振動(dòng)的線偏光折射光成為部分偏振光(E//>E

)

說明反射光與折射光相互垂直時(shí)的入射角1）布魯斯特角2）可解釋反射光和折射光的偏振現(xiàn)象反射起偏1）反射光雖為線偏光，但光強(qiáng)很弱2）折射光光強(qiáng)強(qiáng)，但是偏振度不高3.應(yīng)用偏振特點(diǎn)：利用布氏角可以從反射光中得到線偏光折射起偏—玻璃堆作用：自然光以布氏角入射，經(jīng)過多次反射與折射，最終從折射光中得到線偏光儀器：玻璃堆(P317圖）原理對(duì)某一玻璃板，若上表面反射光為線偏光，則下表面的反射光也為線偏振光。下表面入射角也滿足布氏定律！§6-4光的雙折射現(xiàn)象一.雙折射現(xiàn)象一束光通過某些各向異性介質(zhì)時(shí)，在晶體中產(chǎn)生兩束折射光的現(xiàn)象二.有關(guān)的基本概念1.晶體中的兩束折射光遵循折射定律的折射光非常光（e光）不遵循折射定律的折射光尋常光（o光）說明o光和e光只在晶體內(nèi)才有意義2.晶軸（光軸）晶體中的一個(gè)特殊方向。光沿此方向傳播不發(fā)生雙折射現(xiàn)象。單軸晶體只有一個(gè)光軸的晶體。如石英，方解石。雙軸晶體有兩個(gè)光軸的晶體。如云母。3.單軸與雙軸晶體3.主截面及o光e光的偏振態(tài)晶體中給定的光線與晶軸所構(gòu)成的平面為該光線的主截面。e光的振動(dòng)平行自己的主截面o光的振動(dòng)垂直自己的主截面o光和e光都是線偏振光說明嚴(yán)格講只有當(dāng)光軸在入射面內(nèi)時(shí)，o光e光的主截面方重合！該共同的主截面常稱為晶體的主截面三.對(duì)雙折射現(xiàn)象的解釋1.雙折射現(xiàn)象一束光垂直入射到一單軸晶體上表面。當(dāng)晶體以入射光為軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，出射為雙光。且一個(gè)繞一個(gè)轉(zhuǎn)。此時(shí)光軸既不平行也不垂直晶體表面入射為自然光時(shí)：雙光強(qiáng)度相等，不變化入射為線偏光時(shí)：雙光強(qiáng)度交替變化，重疊區(qū)強(qiáng)度不變化說明各方向上光矢量振幅相等

2.現(xiàn)象解釋自然光入射o,e兩光強(qiáng)度相等線偏光入射o、e兩光光強(qiáng)交替變化重疊區(qū)光強(qiáng)恒定相對(duì)強(qiáng)度例題（p321[5.4])強(qiáng)度為I的自然光，垂直入射到方解石晶體后又垂直入射到另一塊完全相同的晶體上，兩塊晶體的主截面的夾角為。試求當(dāng)=30。時(shí)，最后透射出來的光的相對(duì)光強(qiáng)。四.惠更斯對(duì)雙折射現(xiàn)象的解釋1.單軸晶體內(nèi)的主折射率各向異性介質(zhì)中折射率隨振動(dòng)方向而異以光軸為參考：凡光軸振動(dòng)：凡//光軸振動(dòng)：稱為晶體的主折射率o光：各傳播方向上振動(dòng)均垂直于光軸o光波面為球面2.單軸晶體內(nèi)的波面（惠更斯假設(shè)）沿光軸方向傳播：e光：振動(dòng)方向與光軸方向的夾角隨傳播方向而異光軸方向傳播：傳播方向與光軸//or：e光波面為以光軸為旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)橢球面!結(jié)論：o光和e光在光軸方向的速度相等o光的波面為球面，e光的波面為橢球面球面，橢球面在光軸方向上相切3.正負(fù)晶體正晶體：球包橢球，如石英負(fù)晶體：橢球包球，如方解石4.作圖法確定晶體中光的傳播方向1）o光滿足折射定律，e光不滿足；基本要點(diǎn)為：2）o光波面為球面，e光為橢球面；橢球與球在光軸方向上相切正晶體：如石英球包橢球---橢球長(zhǎng)軸在光軸方向上負(fù)晶體：如方解石橢球包球---橢球短軸在光軸方向上3）注意正負(fù)晶體的特點(diǎn)例負(fù)晶體的光軸方向如圖，求作平行光1，2在晶體中的折射光線2.確定A處的光軸及與光軸垂直的方向；3.做出橢圓1.以A為圓心作圓；橢圓的長(zhǎng)軸和短軸分別在光軸和垂直于光軸方向上橢圓與圓在光軸方向上相切3.過B分別作圓和橢圓的切線，切點(diǎn)分別為c1和c2；4.標(biāo)出o光e光的偏振態(tài)來

o光為A點(diǎn)和圓切點(diǎn)c1的連線；e光為A點(diǎn)和橢圓切點(diǎn)c2的連線；光軸在入射面內(nèi)，可以出現(xiàn)e光與入射光

在法線的同側(cè)的情形光軸如果不在入射面內(nèi)，球與橢球的切點(diǎn)不在入射面內(nèi)，o光e光主截面不重合說明特例光軸平行于晶體表面且平行于入射面

光線垂直光軸入射（見圖）o光e光不分開，但有雙折射2.光線沿光軸方向入射o光e光不分開，且無雙折射

此時(shí)e光也滿足折射定律3.光軸垂直于入射面（見圖）e光垂直于光軸方向傳播，在晶體內(nèi)部此時(shí)e光也滿足折射定律

§6-5偏振元件一.能給出一個(gè)線偏光的偏振器1.二向色性偏振片2.尼科耳棱鏡相當(dāng)于一個(gè)偏振片！22利用雙折射現(xiàn)象產(chǎn)生o光e光利用全反射原理將o光反射掉二.能給出兩個(gè)線偏振光的偏振器沃拉斯頓棱鏡12§6-6橢圓和圓偏振光偏振光的檢驗(yàn)

一.橢圓和圓偏振光的特征光矢量繞著傳播方向作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，端點(diǎn)的軌跡為一橢圓或圓。順時(shí)針：右旋逆時(shí)針：左旋迎光看：橢圓與圓偏光的特征由兩個(gè)振動(dòng)方向相互垂直且有固定位相關(guān)系的線偏振光合成自然光與圓偏振光的區(qū)別二.橢圓和圓偏振光的產(chǎn)生兩個(gè)頻率相同振動(dòng)方向相互垂直且位相差恒定的振動(dòng)的合成：直線方程(1,3象限)直線方程(2,4象限)正橢圓或圓方程(右旋)正橢圓或圓方程(左旋)結(jié)論：不同，導(dǎo)致合成的振動(dòng)的軌跡不同2.橢圓和圓偏振光的產(chǎn)生自然光入射到單軸晶體上o光和e光無位相關(guān)系,不能合成線偏光入射到單軸晶體上o光和e光有固定的位相差，可以合成3.波片（延遲片）雙折射晶體磨成的薄片其光軸與表面平行起位相延遲的作用附加位相差:為波片的厚度經(jīng)1/4波片后，o光e光的附加光程差為1）四分之一波片波片的分類負(fù)晶體取“+”正晶體取“-”線偏振光正橢圓偏振光作用正橢圓偏光即指橢圓的長(zhǎng)（短）軸在波片光軸方向上出射為圓偏振光出射為線偏振光入射為線偏光，其振動(dòng)矢量與波片光軸成討論則經(jīng)1/2波片后，o光和e光的附加光程差：2）半波片負(fù)晶體取“+”正晶體取“-”作用左旋右旋正橢圓或圓偏振光入射：線偏振光入射：振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)（左）（右）（左）（右）經(jīng)全波片后，o光和e光的附加光程差：3）全波片作用不改變?cè)瓉砣肷涔獾钠裥再|(zhì)無論是1/4波片，1/2波片還是全波片，都是針對(duì)某一波長(zhǎng)而言說明利用各種波片，可得到需要的偏振光

4.索列爾補(bǔ)償器（書上p343)例題1.一束右旋圓偏振光垂直入射到1/4波片和1/8波片上，求出射光的偏振態(tài)2.一橢圓偏振光垂直入射到石英做成的1/4波片上，求出射光的偏振態(tài)三.偏振光的檢驗(yàn)

第一步：偏振片迎光旋轉(zhuǎn)一周線偏振光

自然光部分偏振光光強(qiáng)不變，無消光光強(qiáng)變化，無消光光強(qiáng)變化，有消光橢圓偏振光圓偏振光部分偏光自然光圓偏光橢圓偏光光強(qiáng)變有消光光強(qiáng)不變無消光光強(qiáng)變有消光光強(qiáng)變無消光

第二步：利用1/4波片+偏振片在區(qū)別部分偏光與橢圓偏光時(shí)，需先用一偏振片迎光旋轉(zhuǎn)一周，定出光強(qiáng)最強(qiáng)或最弱的方向。說明將1/4波片的光軸對(duì)準(zhǔn)光強(qiáng)最強(qiáng)或最弱方向，以保證入射為正橢圓偏振光。一束強(qiáng)度為I。的右旋圓偏振光垂直入射到1/4方解石晶片上，再經(jīng)過一塊主截面相對(duì)波片光軸順時(shí)旋轉(zhuǎn)15。的尼科爾棱鏡，求出射光強(qiáng)的大小。例題例題用一塊方解石做成的1/4波片和一塊偏振片，鑒定一束右旋橢圓偏振光。找出消光位置時(shí)，1/4波片的光軸與偏振片的透振方向成22。求橢圓偏振光的長(zhǎng)軸與短軸之比?！?-7偏振光的干涉旋光現(xiàn)象一.偏振光的干涉（以平行光為例）當(dāng)振動(dòng)方向相互平行的兩個(gè)線偏光滿足相干條件時(shí)，將產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。1.裝置與現(xiàn)象2.現(xiàn)象解釋自然光波片合成光強(qiáng)位相差-由兩部分組成兩個(gè)偏振片的透振方向在波片主截面的同側(cè)為“0”，異側(cè)為“

”討論

旋轉(zhuǎn)任意元件，變化，光強(qiáng)變化一定，光強(qiáng)取決于波片的厚度對(duì)于厚度一定的波片，白光入射產(chǎn)生

彩色干涉圖樣特例A兩個(gè)偏振片透振方向相互平