大學物理光的偏振市公開課一等獎省賽課獲獎課件

§8.1光偏振態(tài)§8.2偏振片起偏和檢偏§8.3反射和折射偏振§8.4光雙折射§8.5偏振光干涉§8.6人工雙折射及其應用第8章、光偏振（polarizationoflight）作業(yè)：練習冊選擇題填空題計算題1第1頁光干涉和衍射現(xiàn)象顯示了光波動特征，但還不能完全斷定光是縱波還是橫波。光偏振現(xiàn)象從試驗上清楚地顯示出光橫波性，這一點與光電磁理論預言一致。偏振—光波電矢量振動空間分布對于光傳輸方向失去對稱性現(xiàn)象。只有橫波才能產(chǎn)生偏振現(xiàn)象，故光偏振是光波動性又一例證。利用光偏振現(xiàn)象創(chuàng)造了立體電影，攝影技術(shù)中用于消除無須要反射光或散射光。光在晶體中傳輸與偏振現(xiàn)象親密相關，利用偏振現(xiàn)象可了解晶體光學特征，制造用于測量光學器件，以及提供諸如巖礦判定、光測彈性及激光調(diào)制等技術(shù)伎倆。2第2頁光是電磁波在人眼視覺范圍內(nèi)波段

400nm

760nm，對應紅、橙、黃、綠、青、藍、紫光。電磁波是橫波研究光振動方向特征即光偏振性。光生理作用、感光現(xiàn)象，實際是電矢量（電場強度E矢量）在起作用。通常把電矢量E稱為光矢量,把電矢量E振動稱為光振動。§1光偏振態(tài)3第3頁簡化合成兩個相互垂直方向.偏振光部分偏振光完全（線）偏振光E沒有優(yōu)勢方向自然光分解4第4頁5第5頁一些物質(zhì)對于光相互垂直分振動含有選擇吸收性能人造偏振片偏振化方向——允許光振動矢量經(jīng)過方向。自然光經(jīng)過偏振片偏振光起偏明

明,但減弱=/2暗假如入射光是部分偏振光,旋轉(zhuǎn)偏振片,透射光有明暗改變,但不會出現(xiàn)全暗;入射光是自然光,透射光無明暗改變—檢偏。§2偏振片起偏和檢偏假如入射光是完全（線）偏振光6第6頁起偏和檢偏7第7頁證:0NM將A0分解成

A0cos

A0sin

A0

A0cos

A0sin

設：透射光強I，入射光強I0馬呂斯定律8第8頁解:(1)自然光經(jīng)過偏振片A,光強被吸收二分之一,有:N1N2600I0I1I2例：有兩塊偏振片A和B,偏振化方向夾角為600。(1)入射光是自然光,設偏振片無吸收,求穿過A和B后透射光與入射光光強比;(2)入射光是線偏振光,振動方向與第一塊偏振片偏振化方向夾角為300,求穿過A,B后透射光與入射光光強比;(3)假如偏振片吸收系數(shù)為0.1,再求(2)結(jié)果.9第9頁光偏振現(xiàn)象在技術(shù)中有很多應用。比如拍攝水下景物或展覽櫥窗中陳列品照片時，因為水面或玻璃會反射出很強反射光，使得水面下景物和櫥窗中陳列品看不清楚，攝出照片也不清楚．假如在攝影機鏡頭上加一個偏振片，使偏振片透振方向與反射光偏振方向垂直，就能夠把這些反射光濾掉，而攝得清楚照片；另外，還有消除車燈眩光、立體電影等等。偏振片應用10第10頁1.拍攝玻璃窗內(nèi)物體時，用偏振片去掉反射光干擾11第11頁2.汽車夜間行車時為防止對方汽車燈光晃眼以確保行駛安全，能夠在全部汽車車窗玻璃和車燈前裝上與水平方向成45

角，而且向同一方向傾斜偏振片。3.偏振片可用于制成太陽鏡和攝影機濾光鏡。觀看立體電影眼鏡片是由兩個偏振化方向相互垂直偏振片組成。12第12頁立體電影和偏振你看過立體電影嗎？你知道它道理嗎？它就是應用光偏振現(xiàn)象一個例子：在觀看立體電影時，觀眾要戴上一副特制眼鏡，這副眼鏡就是一對透振方向相互垂直偏振片．這么，從銀幕上看到景象才有立體感．假如不戴這副眼鏡看，銀幕上圖像就含糊不清了．這是為何呢？這要從人眼看物體說起．人兩只眼睛同時觀察物體，不但能擴大視野，而且能判斷物體遠近，產(chǎn)生立體感．這是因為人兩只眼睛同時觀察物體時，在視網(wǎng)膜上形成像并不完全相同，左眼看到物體左側(cè)面較多，右眼看到物體右側(cè)面較多，這兩個像經(jīng)過大腦綜合以后就能區(qū)分物體前后、遠近，從而產(chǎn)生立體視覺．13第13頁要看到立體電影，要在每架電影機前裝一塊偏振片，它作用相當于起偏器．從兩架放映機射出光，經(jīng)過偏振片后，就成了偏振光．左右兩架放映機前偏振片透振方向相互垂直，因而產(chǎn)生兩束偏振光偏振方向也相互垂直．這兩束偏振光投射到銀幕上再反射到觀眾處，偏振方向不改變．觀眾用上述偏振眼鏡觀看，每只眼睛只看到對應偏振光圖像，即左眼只能看到左機映出畫面，右眼只能看到右機映出畫面，這么就會像直接觀看物體那樣產(chǎn)生立體感覺．這就是立體電影原理．立體電影是用兩個鏡頭如人眼那樣從兩個不一樣方向同時拍攝下景物像，制成電影膠片．在放映時，經(jīng)過兩臺放映機，把用兩臺攝影機拍下兩組膠片同時放映，使這略有差異兩幅圖像重合在銀幕上．這時如果用眼睛直接觀看，看到畫面是含糊不清．14第14頁15第15頁i

n1n2§3反射和折射偏振

試驗發(fā)覺:反射光和折射光普通都是部分偏振光,反射光中垂直于入射面光振動占優(yōu).折射光中平行于入射面光振動占優(yōu).n1n2i0

當i為某一入射角i0時，反射光成為完全偏振光。布儒斯特定律16第16頁兩個相關結(jié)論1.入射角為i0時，折射光與反射光垂直。證：n1水n2玻璃i0

所以，光從玻璃向水界面入射時布儒斯特角就是光從水向玻璃界面入射時圖中所表示折射角。2.光從水向玻璃界面入射時布儒斯特角為i0，問光從玻璃向水界面入射時布儒斯特角為多少？17第17頁玻璃堆光從空氣射向玻璃線偏振光18第18頁巴托林（ErasmusBartholin）（1625—698）出生在丹麥羅斯基勃一個醫(yī)生世家。他也像他父親和弟兄一樣都是醫(yī)生，同時他在數(shù)學和物理學上也有貢獻。從1657年到逝世，他在丹麥哥本哈根大學任醫(yī)學教授。但使巴托林聞名于科學史事跡卻與醫(yī)學無關，而是在物理學上研究工作。物理史話—雙折射1669年，巴托林得到了一塊冰洲石。這是出產(chǎn)于冰島方解石。他發(fā)覺，用冰洲石看到像都是雙像。巴托林注意到，光線經(jīng)過冰洲石變成了兩條光線，他稱這種折射現(xiàn)象為雙折射。巴托林還發(fā)覺，當固定一個像時，另一個像圍繞著它旋轉(zhuǎn)。巴托林將這兩條光線中固定像和“旋轉(zhuǎn)像”對應光線分別稱為尋常光線和非尋常光線?？瓷先ィp折射現(xiàn)象沒有什么神奇地方，但巴托林自己不能解釋它，他認為這與牛頓光學理論是矛盾。其實當初光波動說也不能解釋，直到半個世紀之后，新波動說才解釋了這種現(xiàn)象。19第19頁§4光雙折射

一束入射光經(jīng)一些晶體折射后可分成兩束光線現(xiàn)象稱為雙折射。1.尋常光和非常光試驗表明，雙折射現(xiàn)象中兩束折射光線都是線偏振光，分別稱為尋常光和非常光。尋常光（o光）：

遵從折射定律非常光（e光）:普通不遵從折射定律折射面與入射面不一定重合。20第20頁用偏振片檢驗o光和e光，發(fā)覺它們都是偏振光，但振動方向不一樣，為了便于描述o光和e光偏振情況及其相互關系，需要引入幾個與晶體相關概念。(1)光軸o光在晶體中各方向上速度相同,折射率n=c/u相同;e光各向速度不一樣,折射率不一樣.在晶體中有一個確定方向,o光和e光沿此方向傳輸速度相等,折射率相等,不發(fā)生雙折射.o光折射率:e光折射率:注意：光軸僅標志一定方向，并不限于某一條特殊直線。雙折射實質(zhì)是o光和e光在晶體中傳輸速度不一樣。21第21頁1.在光軸方向

e光速度等于o

光速度，即等于vo2.在垂直光軸方向o光e光兩個速度差異最大;與o光速度差異最大速度記做ve,

且ve為常數(shù)。v0<ve；或v0>ve而且有以下兩種情況(2)負晶與正晶凡屬v0<ve，（即n0>ne）晶體稱為負晶。凡屬v0>ve，（即n0

<ne）

晶體稱為正晶。定義：為晶體對e光主折射率，即e光在垂直于光軸方向折射率。給出兩個試驗事實：22第22頁方解石

1.48641.6584石英

1.55341.5443（對波長為589.3nm鈉黃光）方解石晶體（負晶）CaCO3石英（正晶）23第23頁光軸在入射面內(nèi)光軸垂直入射面o光子波面一定是球面e光子波面必定不是球面

是什么樣呢?o光子波面e光子波面e光子波面是以光軸為軸旋轉(zhuǎn)橢球面v0<veo光在晶體中各方向上速度相同,e光各向速度不一樣。思索在垂直光軸方向,o

光e光兩個速度差異最大.e光垂直于光軸方向傳輸時，ve為常數(shù)。24第24頁o光振動方向垂直于該光線（在晶體中）與光軸組成平面。

e光振動方向平行于該光線（在晶體中）與光軸組成平面。即o光振動方向垂直于主平面。即e

光振動方向在主平面內(nèi)。(3)主平面光線與光軸組成平面叫該光線主平面25第25頁o

光在晶體內(nèi)任意點所引發(fā)波陣面是球面。即含有各向同性傳輸速率。e光在晶體內(nèi)任意點所引發(fā)波陣面是橢球面。沿光軸方向與o光含有相同速率。e光波面o光波面光軸方向負晶如方解石CaCO3e光波面o光波面光軸方向正晶如石英SiO22.

惠更斯原理在雙折射現(xiàn)象中應用———確定波陣面作圖法v0<vev0>ve26第26頁光軸AFEeO?eO?o光可用折射定律計算，e光不服從折射定律雙折射平行光傾斜入射，光軸在入射面內(nèi)，光軸與晶體表面斜交27第27頁光軸AE?BF’E’?Fo光與e光沿同方向傳輸平行光垂直入射，光軸在入射面內(nèi)，光軸平行晶體表面o光與e光含有相互垂直偏振方向,且速度相差最大.雙折射OOee28第28頁

i········cΔt光軸方解石晶體voΔtveΔt····o

eo

e光軸平行于晶體表面且垂直于入射面，

自然光斜入射方解石是負軸晶體（no>ne）ne為晶體對e光主折射率，即e光在垂直于光軸方向折射率。v0<ve29第29頁例：用方解石晶體（負晶體）切成一個截面為正三角形棱鏡，光軸方向如圖所表示。若自然光以入射角i入射并產(chǎn)生雙折射，試定性地分別畫出o光與e光光路與振動方向。解

對負晶體，(n0>ne)則依據(jù)折射定律，e光折射角大于o光折射角；e光主平面現(xiàn)垂直圖面，e光振動方向在主平面內(nèi),所以e光振動方向以點表示。e光o光o光振動方向垂直主平面，

o光主平面現(xiàn)也垂直圖面，所以o光振動方向以線表示。30第30頁3.1尼科爾棱鏡結(jié)構(gòu)如圖取長度適當方解石晶體,將其兩端天然晶面加以適當研磨,將晶體剖開,再用加拿大樹膠將剖面粘合組成一長方形棱鏡。3.2尼科爾棱鏡原理利用棱鏡雙折射現(xiàn)象,將一束自然光分成尋常光和非常光,然后利用全反射原理把尋常光反射到棱鏡側(cè)壁上,只讓非常光經(jīng)過棱鏡,從面而取得一束振動方向固定線偏振光。3.晶體偏振器件31第31頁48o22o68oo光e光e光加拿大樹膠n=1.550光軸e光方解石no=1.6584,ne=1.4864o光被吸收!全反射中學知識

1.

當光線由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)，而角度大于臨介角

C。2.折射率

n

介質(zhì)臨介角

C公式：全反射32第32頁產(chǎn)生兩束相互分開、振動相互垂直平面偏振光。3.3渥拉斯頓（Wollaston)棱鏡結(jié)構(gòu)：3.4渥氏棱鏡作用：由兩塊光軸相互垂直方解石直角棱鏡組成。光軸光軸ABD方解石是負軸晶體（no>ne）33第33頁（1）光在兩塊方解石中都是垂直光軸傳輸。（2）當自然光垂直入射AB表面后，在第一塊棱鏡中o光和e光以不一樣速度沿同一方向傳輸。方解石是負晶no>n樹膠>ne（3）當它們先后進入第二塊棱鏡時，第一塊棱鏡中o光在第二塊棱鏡中變成e光，靠近法向;第一塊棱鏡中e光在第二塊棱鏡中變成o光，遠離法向。3.5渥氏棱鏡原理AB34第34頁§5*偏振光干涉1.圓偏振光和橢圓偏振光兩個同頻率相互垂直線偏振光合成，依據(jù)它們相位差和振幅決定了其合成結(jié)果為圓偏振，或為橢圓偏振光。復習:兩個同頻率相互垂直分運動位移表示式消時間參數(shù)，得合運動普通是在2A1

(

x

向)、2A2

(

y

向)范圍內(nèi)一個橢圓。橢圓性質(zhì)(方位、長短軸、左右旋

)在A1、A2確定之后,主要決定于

=

20-10。35第35頁幾個特殊情況：36第36頁d線偏振光λ光軸1.1橢圓偏振光和圓偏振光取得方法線偏振光透過雙折射晶片后形成o光和e光（兩個同頻率相互垂直線偏振光），它們相位差和振幅決定了其合成結(jié)果為圓偏振，或為橢圓偏振光。

yxAoAeAAoAe

光軸37第37頁1.2波片(又稱相位延遲片)波片是按一定要求切割（比如光軸平行于表面）晶體薄片。

經(jīng)過厚為d晶片，o、e光產(chǎn)生相位差：AAoAe

光軸

o光和e光振幅，與晶片光軸和入射線偏振光振動方向夾角

相關：38第38頁從晶片出射是兩束傳輸方相同、振動方向相互垂直、頻率相等、相位差為

線偏振光，AAoAe

光軸

經(jīng)過厚為d晶片，o、e光產(chǎn)生相位差：(1)四分之一波片從線偏振光取得橢圓或圓偏振光（或相反）線偏振光

圓偏振光線偏振光

橢圓偏振光39第39頁橢圓偏振光和圓偏振光定義：光矢量Ｅ

在沿著光傳輸方向前進同時，還繞著傳輸方向均勻轉(zhuǎn)動。假如光矢量大小不停改變，使其端點描繪出一個橢圓，這種光稱橢圓偏振光。假如光矢量大小保持不變，這種光稱圓偏振光。右旋偏振光中光矢量旋轉(zhuǎn)示意圖ZoY40第40頁(2)二分之一波片在/2片前1,3象限振動過/2片后2,4象限振動使線偏振光振動面轉(zhuǎn)過2

角度。注意:/2波片/4波片必須指明波長經(jīng)二分之一波片后，o光e

光相位差為，合成為線偏振光Ae入=Ae出

A0入A入光軸Ae入

A0出A出Ae出41第41頁(3)橢圓偏振光與圓偏振光檢偏用四分之一波片和偏振片P

可區(qū)分出入射光是

1.自然光或圓偏振光

2.部分偏振光或橢圓偏振光d偏振片P偏振化方向入射光42第42頁橢圓與圓偏振光檢偏用四分之一波片和偏振片P

可區(qū)分出自然光和圓偏振光或部分偏振光和橢圓偏振光(1)自然光與圓偏振光區(qū)分結(jié)論：以入射光方向為軸轉(zhuǎn)動偏振片光強無改變。當入射光是自然光時：IoI1I2自然光o,e光偏振片光軸43第43頁結(jié)論：以入射光方向為軸轉(zhuǎn)動偏振片光強有改變，出現(xiàn)最大光強和消光現(xiàn)象。當入射光是圓偏振光時：PI2偏振片IoC圓偏振光I1線偏振光光軸44第44頁(2)部分偏振光與橢圓偏振光區(qū)分當入射光是部分偏振光時：結(jié)論：以入射光方向為軸轉(zhuǎn)動偏振片光強有改變，但無消光現(xiàn)象。IoI1I2部分偏振光部分偏振光偏振片光軸45第45頁結(jié)論：以入射光方向為軸轉(zhuǎn)動偏振片光強有改變，出現(xiàn)最大光強和消光現(xiàn)象。當入射光是橢圓偏振光時：光軸平行橢圓偏振光長軸或短軸放置PI1CI2Io橢圓偏振光線偏振光偏振片46第46頁偏振光狀態(tài)演示儀[演示裝置]偏振光狀態(tài)演示儀包含光學減震平臺一個、半導體激光器（650nm）及固定架一套、起偏器和檢偏器各一個、1/4波片（650nm）一個、步進電機控制調(diào)整架三個、光電接收系統(tǒng)及調(diào)整架一個、電控箱一個（三路控制輸出、兩路輸入和USB接口）、計算機及專用軟件。怎樣區(qū)分出入射光是圓偏振光還是橢圓偏振光？47第47頁①手動調(diào)整起偏器和檢偏器，使它們偏振化方向相互垂直，即接收屏上出現(xiàn)消光；②在起偏器和檢偏器之間插入l/4波片，轉(zhuǎn)動l/4波片，重新使屏幕上出現(xiàn)消光狀態(tài)；③l/4波片旋轉(zhuǎn)45

,將檢偏器旋轉(zhuǎn)，屏幕上便出現(xiàn)一條近乎水平直線，說明經(jīng)過檢偏器光為圓偏振光，即光強不變。圓偏振光產(chǎn)生與判別48第48頁旋轉(zhuǎn)檢偏器P249第49頁橢圓偏振光產(chǎn)生與判別假如l/4波片旋角大于或小于45

，則檢偏器旋轉(zhuǎn)360

，屏幕上出現(xiàn)是一條余弦曲線，但曲線最低點光強不等于零，說明經(jīng)過檢偏器光為橢圓偏振光。50第50頁2.1偏振光干涉裝置

P1

出射光為線偏振光，經(jīng)C

成為o、e

兩束偏振光，再經(jīng)P2后，發(fā)生干涉。2.

偏振光干涉d晶片C

偏振片P2

單色自然光偏振片P1偏振化方向光軸方向偏振化方向51第51頁2.2偏振光干涉分析（1）振幅關系經(jīng)過P2

后，兩束光振動方向平行，振幅為：d晶片C

偏振片P2

單色自然光偏振片P1偏振化方向光軸方向偏振化方向P2P1CA1AeAo

P1

出射光為線偏振光，經(jīng)C

成為o、e

兩束偏振光，再經(jīng)P2后，發(fā)生干涉。A2oA2e52第52頁經(jīng)過晶體C后兩束光是相干光，相位差為：經(jīng)過P2

后相位差為：（2）相位關系—相長干涉—相消干涉P2P1CA1AeAo

A2oA2e53