第十八九章传播偏振(1)

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1、第十九章第十九章 光光 的的 偏偏 振振18.1 18.1 光学基本概念光学基本概念19.1 19.1 偏振光和自然光偏振光和自然光19.2 偏振片、马吕斯定律偏振片、马吕斯定律19.3 19.3 反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振19.5 19.5 晶体的双折射现象晶体的双折射现象19.6 19.6 偏振光的获得与检验偏振光的获得与检验产生、描述和刻画第十八章第十八章 光光 的的 传播传播基本概念： 光的偏振状态光在若干环 境中传播时 的偏振现象19-5 ，19-11,19-13,19-14 19-3 ， 19-4 ，19-8,19-9,19-10 19-1 ， 19-2 ，19-1,

2、19-2,19-5 第十九章作业作业以2014版教材为准第十九章作业及第二十章20.1， 20.2 12月10日在课堂交1621年荷兰科学家菲涅耳（W. snell, 15801626）从实验归纳出反射定律、折射定律，在此基础上诞生了几何光学。早在我国先秦时代（公元前400382年），墨经中就详细论述了光的直线传播、光的反射以及平面镜、 凹面镜和凸面镜的成像规律。而在之后约一百年，古希 腊的欧几里德也专门著书光学，对人眼为何能看到 物体、光的反射性质、球面镜焦点等问题进行了探讨。 光学发展史一、几何光学时期光是什么?墨翟小孔成像：“景，光之人，煦若射，下 者之人也高；高者之人也下，足蔽下光 ，

3、故成景于上，首蔽上光，故成景于下 ”。指出小孔成倒像的根本原因是 光的“煦若射”。平面镜反射成像：“景迎日，说在转”。 说明人像投在迎向太阳的一边，是因为 日光经过镜子的反射而转变了方向。凸面镜成像：“鉴团，景一，说在刑之大”。经说中进一步解释说： “鉴，鉴者近，则所鉴大，景亦大，其远，所鉴小，景亦小，而必 正”。它说明了凸面镜只成一种像，物体总成一种缩小而正立的 像。墨经凹面镜成像：“鉴洼，景一小而易，一大而正，说在中之外、内” 。说明当时已认识到凹面镜有一个“中”(指焦点和球心之间)。物在 “中”之外，得到比物体小而倒立的像，物在“中”之内，得到的是 比物体大而正立的像。中国古代光学历史（

4、1）光源:太阳和月亮、火、灯、磷火、萤火、荧光物质。西汉时期的镏金长信宫灯 “囊萤”读书的故事 1.光源与光的本性中国古代认为气是宇宙万物之原，因此光的本质是气。 墨经：“景倒，在午有端，与景长。说在端。”2.几何光学知识（1）光的直线传播与小孔成像（2）光的本性北宋的沈括在梦溪笔谈中也记述了光的直 线传播和小孔成像的实验：“若鸢飞空中，其影随 鸢而移；或中间为窗所束则影与鸢相违，鸢东则影 西，鸢西则影东。”赵友钦（宋末元初）：赵友钦实验在中国古代 史上占有重要地位，其实验目的明确，设计合理， 步骤清晰，结果可靠，是中国古代最接近近代物理 实验思想和方法的大型实验，是世界物理学史上的 一个首创

5、。凹面镜成像的情况：“鉴洼，景一小而易，一大而 正，说在中之外、内。 中之内，鉴者近中，则所 鉴大，景亦大；远中，则所鉴小，景亦小，而必正 ，起于中缘正而长其直也。中之外，鉴者近中，则 所鉴大，景亦大；远中，则所鉴小，景亦小而必 易。合于中长直也。” （2）光的反射与镜面成像墨经中论述了光的反射，包括平面镜、凹面 镜、凸面镜的反射情况。墨经：“景，日之光反烛人，则景在日与人之间” 。经下叙述了平面镜成像的情况：像的大小与物 相等，并且相对于镜面与物体对称。透光镜：现上海博物馆珍 藏有西汉时期的“透光镜”（ 青铜）。隋唐古镜记记载 ：“承日照之，则背上文画， 墨入影内，纤毫无失”。 （3）光的折

6、射与透镜西汉淮南万毕术记载了用冰透镜取火的事情 ：“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则火生。”凸面镜成像的情况：“鉴团，景一。鉴者近，则所 鉴大，景亦大；其远，所鉴小，景亦小，而必正。”沈括对凹面镜和凸面镜成像也 做了研究：“小鉴不能全观人 面，故令微凸，收人面令小， 则鉴虽小而能全纳人面。”鲫鱼杯：宋代春渚纪闻：“有一鲫，长寸 许，游泳可爱。水倒出，鱼不复见。复酌水酒中， 须臾一鱼泛然而起。”南宋程大昌演繁露纠正了这一错误。程大昌认 真观察了单个水滴的色散现象，体会到菩萨石的五 色光形成原因与之是类似的。3.光的色散唐初孔颖达礼记注疏“日照雨滴则虹生”； 唐代张志和玄真子：“雨色映日而为虹”

7、， 而且还记述了一个人造彩虹实验，“背日喷乎水 ，成虹霓之状。”北宋杨亿的杨文公说苑里，记载峨嵋山的菩萨石 ， 说：“色莹白如玉，如上饶水晶之类，日射之有五 色。”这里所说的，实际就是天然晶体色散。但杨亿 认为这种现象是由于峨嵋山有佛所致。（2）黄履庄：是一位完全可以和爱迪生相媲美的 发明家。发明了“瑞光镜”，这种瑞光镜可以起到 探照灯的作用。比欧洲早了近百年。4.光学仪器（1）孙云球：中国明末清初光学仪器制造家。 当时眼镜由国外输入，质料为玻璃，以远视眼镜 为主，物稀价贵。孙云球就用手工磨制水晶远视 眼镜和近视眼镜，是为苏州自制眼镜的开端。Euclid（古希腊，公元前330-275）提出托勒

8、密（Ptolemy，希腊，70-147）：阿尔-海兹恩（Al-Hazen阿拉伯人，965-1038）：意大利阿玛提（Armati）：荷兰李普赛（Lippershey）：光的直线传播研究折射。测定入射角和折射角的第一人。发明了凸透镜，认为光线来自物体，光以球面形式从光 源发出，反射线与入射线共面，入射面垂直于界面。于1299年 发明了眼镜。发明了第一架望远镜。十七世纪初冯特纳（Fontana）发明了显微镜。西方折射定律：到十七世纪中叶由荷兰Snell和法国 Descartes完全确立。二、光的微粒说和波动说1668年英国科学家牛顿（Newton）提出光的微粒说， 1678年荷兰物理学家惠更斯（H

9、uygens）提出光的波动说。两种学说的争论持续了几个世纪，起初微粒说占优，到 19世纪初，人们对光本质的认识逐渐趋向于波动说。下表例举了几个世纪以来两种学说的拥护者，以及它们刚被提 出时的出发点和存在的问题：牛顿(Newton)光是一种粒子 !光是一种波!惠更斯(Huygens)光的本性1、牛顿的光微粒理论2、惠更斯的光波动理论遵从力学规律机械波可以解释光的直线传播及反射、折射现象可以解释光的反射、折射、双折射，但不能很 好解释光的直线传播以及不能解释偏振争论持续约300年，到二十世纪二 十年代才告一段落。认识始于十七世纪牛顿光谱分解实验微 粒 说支持者波 动 说牛顿（NewtonNewto

10、n） 毕奥（毕奥（BiotBiot） 拉普拉斯（拉普拉斯（LaplaceLaplace） 泊松（泊松（PoissionPoission） 马吕斯（马吕斯（MalusMalus）胡克（Hooke） 惠更斯（Huygens） 托马斯杨（T.Young ） 夫琅和费(Fraunhofer) 菲涅耳（Fresnel） 傅科（Foucault）能够解释/无法解释（刚提出时）光的直线传播 光的反射 光的折射 光在折射率大的介质中传播 速率小 光的干涉光的直线传播 光的反射 光的折射 光在折射率大的介质中 传播速率小【该结论于1862年被傅科实验所证实】对光的波动说给予有力支持的几个实验：1、 1801年托

11、马斯 杨（Thomas Young）完成 了著名的“杨氏”实验，并提出了干涉原理；2、 1809年，马吕斯（Malus）发现了光的横波性；（尽管马吕斯当时认为他的发现是对波动说有 力的驳斥）3、 1815年，菲涅耳（Fresnel）综合了惠更斯子波假设和杨氏干涉原理，用次波干涉理论成功地 解释了光的直线传播规律，并且定量地说明了光的 衍射图样光强分布规律（如泊松亮斑）。光的反射反射定律：微粒说解释：光微粒射到镜面，会像弹 性小球一样被弹回 。光的微粒说光的微粒说光的折射折射定律：微粒说解释：水媒质对光微粒的拉力增加，从而 使其运动方向发生改变，这对应于光的折射现象. 光的微粒说光的微粒说光的本

12、性: 波 还是粒子? 惠更斯 牛顿 n1n2光的微粒说光的微粒说光的波动说光的波动说赫兹（Hertz ） 麦克斯韦（Maxwell ） 1860年，麦克斯韦总结出麦克斯韦方程组，得出电磁波在 真空中传播的速度等于光速 c ，从而预言光是一种电磁波。 1888年赫兹用实验证实了麦克斯韦的预言。通过大量实践可知，红外线、紫外线和X 射线等都是电 磁波，它们的区别仅是频率（波长）不同而已，从而使光的 波动理论成为电磁理论的一部分。三、光的电磁学说光是一种电电磁 波。你的预预言是对对的 ！四、量子光学时期19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和 物质的相互作用的微观结构中。一些新的实验，

13、如热辐射、光电 效应和康普顿效应等，用经典电磁波理论都无法解释。1900年普朗克提出辐射能量的量子化理论，成功地解释了黑体 辐射问题。1905年爱因斯坦提出光量子理论，圆满地解释了光电 效应。爱因斯坦的结论于1923年被康普顿的散射实验所证实。普朗克（Planck）爱因斯坦（Einstein）康普顿（Compton）光的科学认识史：光的科学认识史：几何光学波动光学量子光学（粒子说）（波动说）（量子说）折射，反射干涉，衍射光电效应从光学发展史可以看出，光的干涉、衍射、偏振等现象证实了光的波动性，而黑体辐射、光电效 应和康普顿效应等又证实了光的微粒性，光具有“ 波粒二相性”（Wave-partic

14、le duality）。光在传播的过程中主要表现出波动性，而在与物质相互作用 时主要表现出微粒性。光学1、几何光学2、波动光学(物理光学)3、量子光学以光的直线传播特性为基础研究 光学仪器的成像理论Huygens-Fresnel 理论 Maxwell 的电磁波理论研究光的传播规律干涉、衍射、 偏振 性质以量子力学为基础研究光与物质 的相互作用 4、现代光学,如傅里叶光学，非线性光学等约在十七、十八两个世纪内形成。约在十九世纪内形成。约在十九世纪末到二十世纪初形成。约始于二十世纪五十年代。爱因斯坦的广义相对论预言，在星系、星系团及黑洞 等具有巨大引力的天体附近，引力使光线发生弯曲（ 光线沿弯曲空

15、间的短程线传播）。如果在观测者到光 源的视线上有一个大质量的前景天体，则在光源的两 侧会形成两个像，就好像有一面透镜放在观测者和天 体之间一样，这种现象称之为引力透镜效应。一个引力透镜现象中涉及两种天体，一个是在 遥远处的作为光源的天体相当于透镜试验中的 蜡烛，称为背景天体，另一个是在背景和观测 者之间存在的，使背景光源发出的光线弯曲的 透镜天体。18.1 光学基本概念一、光源和光谱 光源 （1）热光源（2）冷光源靠维持发光物体的温度，如白炽灯（生物）化学反应、光致发光、电致发光等 荧火虫红宝石激光器1. 按能量补充方式不同，光源分为：日光灯荧光（日光灯管壁物质、示波器、电视显像管的荧光屏 ）

16、磷光（夜光表上的磷光物质）光源的特性反映在其大小、强度和颜色等方面发射光的物体：如太阳、恒星、各种人造光源等 热辐射非热辐射按照激发方式的不同，普通光源的发光过程有以下几种：热辐射 ：任何物体都向外辐射电磁波，当物体温度偏 低时，辐射的主要是红外线，当温度比较高 时，可以发射出可见光，温度更高时会发射 紫外线等，这就是热能转化为光能的过程。电致发光 ：对光源物质采用电激发，使电能直接 转化为光能的过程称为电致发光。如：太阳、白炽灯、烧红的铁棒等。如：闪电、霓虹灯、发光二极管等的发光。化学发光 ：由化学反应而引起的发光过程称为化学发光。光致发光 ：对光源物质采用光激发而引起的发光过程称为光致发光。如：日光灯（Hg蒸汽被击穿导电后发出紫外线，紫外线激发管壁上的荧光粉发射可见光）；夜光表（表针或表盘上的磷光物质被光线照射时吸收光能后，能够在一段时间内持续发光）。如：物质的燃烧过程；萤火虫的发光是生物