大学物理第5章-光的偏振概要

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1、* 光的偏振状态 * 线偏振光的获得与检验 * 反射和折射时光的偏振 * 双折射现象,主要内容,1. 横波和纵波的区别偏振 纵波：振动方向与传播方向一致，不存在偏振问题； 横波：振动方向与传播方向垂直，存在偏振问题。,定义：振动方向对于传播方向的不对称性称为偏振性。 说明：只有横波才具有偏振现象，偏振现象是横波区别于纵波的最明显的特征。,机械横波与纵波的区别,机械波穿过狭缝,一、光的偏振性,5.1 光的偏振状态 ( Polarization of light ),2.光的偏振性：,光矢量的振动方向总是与光的传播方向垂直的，即光矢量的横向振动状态，相对于传播方向不具有对称性， 这种光矢量的振动相

2、对于传播方向的不对称性，称为光的偏振性。,光的偏振性说明光波是横波,振动面在空间各个方向高速随机变化的，或者说由大量振幅相同、各种振动方向都有、彼此没有固定相位关系的光矢量的组合叫非偏振光或自然光。,E 没有优势方向,特点：在垂直光线的平面内，光矢量沿各方向振动的概率均等.,自然光的分解,自然光可以用下图表示,二、偏振态的分类,非偏振光(自然光),振动面,u,光振动方向与传播方向 决定的平面称为振动面.,线偏振光表示法,完全偏振光（线偏振光）,完全偏振光和自然光是两种极端情形，介于二者之间的一般情形是部分偏振光。,部分偏振光可以看成自然光和线偏振光的混合。,部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂

3、直的、不等幅的、不相干的线偏振光。,部分偏振光表示法,在纸面内的光振动较强,垂直纸面的光振动较强,部分偏振光,右旋椭圆偏振光,椭圆偏振光和圆偏振光,一、起偏和检偏,起偏-从自然光获得偏振光叫“起偏”。,偏振器（起偏器） -能将自然光变为偏振光的光学器件。,检偏-检验一束光是否是偏振光叫“检偏”。,检偏器-检偏的光学器件。,起偏的原理: 利用某种形式的不对称性,如 （1）物质的二向色性（某些物质能吸收某一方向的光振动 , 而只让与这个方向垂直的光振动通过, 这种性质称二向色性 . （2）散射， （3）反射和折射， （4）双折射.,5.2 线偏振光的获得与检验,偏振片（Polaroid）,1928

4、年一位19岁的美国大学生 （E.H.Land）发明的。,例如：把硫酸碘奎宁的针状粉末有序地蒸镀在 透明的基片上。,偏振片是由自然光获得线偏振光的平面片状器件。是利用晶体的二向色性起偏。（对某一方向的光振动有强烈吸收）,它只允许某一特定方向的光振动通过.,起偏器,检偏器,偏振片既可“起偏”又可“检偏”。,检 偏,设入射光可能是自然光、线偏振光 或部分偏振光，如何用偏振片来区分它们？,以光线为轴转动P:,I 不变？,I 变，有消光？,I 变，无消光？,自然光 线偏振光 部分偏振光,I,?,P,待检光,一般情况下 I =？,二、 马吕斯定律,强度为I0的偏振光，通过检偏器后，透射光的强度为：I=I0

5、 cos2 其中 为检偏器的偏振化方向与入射偏振光的偏振化方向之间的夹角。,I0,I, 马吕斯定律（1809）,E=E0cos,为其它值时,推导过程,马吕斯定律,光强为 I0 的自然光相继通过偏振片P1、P2、P3后光强为I0 /8，已知P1 P3，问：P1、P2间夹角为何？,解 分析,I0,I3=I0/8,I1,I2,例题1,例2 有两个偏振片,一个用作起偏器, 一个用作检偏器. 当它们偏振化方向间的夹角为 时 , 一束单色自然光穿过它们, 出射光强为 ; 当它们偏振化方向间的夹角为 时, 另一束单色自然光穿过它们 , 出射光强为 , 且 . 求两束单色自然光的强度之比 .,解 设两束单色自

6、然光的强度分别为 和 .,经过起偏器后光强分别为 和 .,经过检偏器后,在两块正交偏振片 之间插入另一块偏振片 ，光强为 的自然光垂直入射于偏振片 ，讨论转动 透过 的光强 与转角的关系 .,讨 论,若 在 间变化， 如何变化？,你能说明为什么吗？,？,例题：在透振方向正交的起偏器M和检偏器 N 之间，插入一片以角速度旋转的理想偏振片P，入射自然光强为I0，试求由系统出射的光强是多少？,每旋转偏振片P一周，输出光强有“四明四零”。,t=00,900,1800,2700时，输出光强为零。,t=450,1350,2250,3150时，输出光强为 。,5-3 反射和折射时光的偏振,自然光在两种各向同

7、性介质的分界面上反射和折射时，不但光的传播方向要改变，而且光的偏振状态也要改变，,入射面: 入射光线和法线所成的平面 .,反射光- 部分偏振光 ，垂直于入射面的振动大于平行于入射面的振动 .,折射光- 部分偏振光，平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动 .,理论和实验证明： 反射光的偏振化程度与入射角有关 .,反射光的偏振化程度与入射角有关，若光从折射率为n1的介质射向折射率为n2的介质，当入射角满足,这实验规律可用电磁场理论的菲涅耳公式解释。,时，反射光中就只有垂直于入射面的光振动，而没有平行于入射面的光振动，这时反射光为线偏振光，而折射光仍为部分偏振光。这就是Brewster定律。其中i

8、b叫做起偏角或布儒斯特角。, 布儒斯特定律,布儒斯特角,完全偏振光,（式中n21为媒质2对媒质1的相对折射率）,布儒斯特角,完全偏振光,根据折射定律,布儒斯特定律：,当入射角是布儒斯特角时，折射光与反射光垂直。,相比较： cosib= sinb 故 ib=900-b,当入射角等于布儒斯特角时，反射光与折射光互相垂直，反射光为线偏振光，其偏振面与入射面垂直；折射光为部分偏振光。,例：若 n1 =1.00 (空气)，n2 =1.50 (玻璃)，n3=1.33(水),不同的介质， ib是不同的,则：,小 结,下列图中的反射光、折射光的偏振状态。 (起偏角 ),一自然光自空气射向一块平板玻璃，入射角为

9、布儒斯特角 ，问 在下表面的反射光是什么光？,平行玻璃板上表面反射光是线偏振光.,？,注意：上表面的折射角等于下表面的入射角,下表面的反射光是否也是线偏振光？,结 论,线偏振光,入射角为布儒斯特角 时， 在下表面的反射光也是线偏振光,理论实验表明：反射所获得的线偏光仅占入射自然光总能量的7.4%，而约占85%的垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中。 要以反射获得较强的线偏振光，你有什么好主意？,利用玻璃片堆产生线偏振光,玻璃片堆,用以增加反射线偏振光的强度和折射光的偏振化程度。,(接近线偏振光),玻璃片堆检偏,若反射光光强不变则入射光是自然光,若反射光光强变且有消光则入射光是线偏振光,若反射光

10、光强变且无消光则入射光是部分偏振光,让待检光以布儒斯特角 入射到界面上，以入射线为轴旋转界面（保持 不变）,例题：已知某材料在空气中的布儒斯特角 ib=580， 求它的折射率？若将它放在水中（水的折射率为 1.33），求布儒斯特角？该材料对水的相对 折射率是多少？,解：设该材料的折射率为 n ，空气的折射率为1,放在水中，则对应有,所以：,该材料对水的相对折射率为1.2。,偏振光的理论意义和价值是证明了光是横波。同时，偏振光在很多技术领域得到了广泛的应用。,偏振现象在摄影技术中的应用 在摄影技术中，为了在不同自然条件下拍到理想的或具有艺术效果的照片，一般在照相机镜头前加不同的镜片。其中一种镜片

11、是“偏光镜”。偏光镜的用途之一是为了更清楚的拍摄水中的物体和鱼类等。如在公园清澈的水塘中游荡着漂亮的金鱼，用相机拍照的最大问题是水表面反射的光线使人看不清水下的鱼。根据布儒斯特定律，自然光经水面反射后是部分偏振光，而在布儒斯特角时是平面偏振光，水的折射率为1.33，相应的布儒斯特角为i0=53。如右图所示，在相机的镜头前加上偏光镜，摄影者在岸上将相机以53左右（估计）对准水面，旋转镜头前的偏光镜，使其偏振化方向与反射光的偏振面垂直拍照（此时，在取景器中看到水中的物体最清楚），则可大大减小反射光的影响，拍到清晰的金鱼照片。,一、 双折射现象,5-4 双 折 射 现 象,波动 光 学,双折射现象,

12、波 动 光 学,一束自然光射向石英、方解石等各向异性介质时，其折射光有两束，这种现象称为双折射现象。,光通过双折射晶体,实验证明： O 光和 光均为线偏振光.,注意： 寻常、非常指光在折射时 是否遵守折射定律，o光、e光也只在晶体内部才有意义。,光轴： 某些晶体内存在确定的方向，在这个方向上，o光和e光的传播速度相同，这个方向称为晶体的光轴。光沿该方向传播时,不发生双折射.,M,M,N,N,说明： 沿光轴方向入射的光束，通过晶体不分为两束光。光轴仅标志一个特征方向。并不限于某一条特殊的直线.,光轴,具有一个光轴的晶体，称为单轴晶体。 例如：方解石、石英等。 具有两个光轴的晶体，称为双轴晶体。

13、例如：云母、硫黄等。,二、光轴 主截面 主平面,晶体的主截面,由光轴和晶体表面的法线所组成的平面，称为晶体主截面。,当入射光的入射面与晶体的主截面重合时，o光,和e光都在入射面内且振动方向互相垂直。,在一般情况下,o光和e光的振动方向并不完全垂直，而是有一个不大的夹角，且e光不在入射面内。,在晶体中,某光线的传播方向和光轴方向所组成的平面，称为该光线的主平面,光的主平面,o光和e光有各自的主平面。 o光和e光都是线偏振光，o光的振动方向垂直于自己的主平面，e光的振动方向平行于自己的主平面。,1. 寻常光线 在晶体中各方向上传播速度相同.,常量,2. 非常光线 晶体中各方向上传播速度不同,随方向

14、改变而改变.,称为晶体的主折射率,假想在晶体内有一子波源O,由于晶体的各向异性性质,从子波源将发出两组子波.,正晶体 : ne no,负晶体 : ne no,(e o),(eo),四、晶片，圆和椭圆偏振光的起偏,1. 晶片相位延迟片,晶片是光轴平行表面的晶体薄片。,通过厚为d的晶片，o、e光产生相位差：,振幅关系,从晶片出射的是两束传播方向相同、振动方向相互垂直、频率相等、相位差的线偏振光，它们合成为一束椭圆偏振光。,时为圆偏振光,2. 波（晶）片,(1) 四分之一波片, 线偏振光圆偏振光, 线偏振光线偏振光,从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）,线偏振光椭圆偏振光,(2) 二分之一波片,使

15、线偏振光振动面转过2 角度,(3) 全波片,四分之一波片,偏振片（转动）,以入射光方向为轴,四分之一波片,偏振片（转动）,光轴平行最大光强或最小光强方向放置或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置,o光:,e光:,n0 ，ne称为晶体的主折射率,正晶体 : ne no,负晶体 : ne no,(e o),(eo),三、 单轴晶体中光传播的惠更斯作图法(eo),1. 光轴平行晶体表面，自然光垂直入射,o, e在方向上虽没分开，但速度上是分开的。,2. 光轴平行晶体表面，且垂直入射面， 自然光斜入射,3. 光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射,此时e光的波面不再与其波射线垂直了,4. 平面波垂直入射方解石晶体光轴平行于晶面,o光、e光传播方向未分开，产生位相差：,二 尼科耳棱镜,光,尼科耳棱镜可用于起偏和检偏,总 结,光的偏振性 偏振态的分类 偏振片 起偏与检偏 马吕斯定律 反射光和折射光的偏振 (布儒斯特定律) 双折射,E N D,