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1、主要内容,围绕光是横波这一事实，研究光在各向异性介质中的传播规律和应用。,第五章 光的偏振,教学目的：,牢固掌握布儒斯特定律、马吕斯定律；掌握各种偏振偏振光的产生条件及检定方法；理解晶体的双折射现象和二分之一波片、四分之一波片的功用；了解偏振光干涉过程及结果。,内容分析：,第一单元（12）:由反射、折射引起的偏振现象。 第二单元（36）:光在晶体中引起的偏振现象。 第三单元（79）:偏振光的叠加。 第四单元（10）* :光弹效应和电光效应。 第五单元（11）* :旋光现象。 第六单元（12）* :偏振态的矩阵表示。,重、难点：,重点：晶体的双折射现象； 难点：对主截面、o光和e光的振动矢量方向
2、、椭圆 和圆偏振光性性质的理解。,5.1 自然光与偏振光,纵波：,横波：,传播方向与振动方向一致的波动。如声波。,传播方向与振动方向垂直的波动。,光的干涉和衍射揭示了光的波动性。1809年，马吕斯发现光的偏振现象，证明了光是横波。,偏振态：光矢量的振动状态,一、光的偏振性,纵波：包含传播方向的任何平面上，其振动均相同，没有谁更特殊。振动对传播方向具有对称性,横波：包含传播方向的平面中，又包含振动矢量的那个平面具有特殊性。振动对传播方向没有对称性,振动方向对于传播方向的不对称性，称为波的偏振。, 只有横波才具有偏振现象。偏振是区别横波和纵波的标志。,偏振：,五种偏振态：自然光，线偏振光, 部分偏
3、振光, 椭圆偏振光, 圆偏振光,2、定义：,光是横波：光是电磁波且 ，所以，光是横波,光矢量：在光与物质的相互作用中，（如感光作用和生理效应）主要起作用是电矢量 ，故称 为光矢量。,振动面：电矢量 和光的传播方向 所构成的平面。,定义：光矢量 对传播方向 的不对称性称为光的偏振。,3、平面偏振光：,在整个传播过程中，若光矢量的振动只限于某一确定平面内，则该光称为平面偏振光。,其光矢量在垂直于传播方向的平面上的投影为一条方向不变的直线，故也称为线偏振光。,图示：,垂直于纸面的线偏光,在纸面内的线偏光,图1,二、自然光与偏振光,1、自然光：,任一光源由大量发光原子（或分子）构成；,每个原子（或分子
4、）发出的光波在确定的时刻具有确定的方向，即为一列线偏振光。大量原子（或分子）发出的众多线偏光的振动方向和初位相将随时间作无规则变化，相互之间也无确定的位相关系。在一个周期内求其统计平均，则其振动在垂直于传播方向的平面内沿各个可能方向取向的几率均相等，, 自然光的光振动对传播方向是轴对称均匀分布的。,定义：光矢量的振动以相等的几率存在于空间一切方向上且其时间平均值相等的光波，称为自然光。,如图示：迎着传播方向观察自然光的振动矢量分布。, 自然光是由轴对称分布的、无固定位相关系的大量线偏振光集合而成的,2、自然光与偏振光,普通光源发出的光一般是自然光. 由于无固定位相关系，自然光中的任意两个光矢量
5、不能合成一个矢量。,但是在给定时刻，任一光矢量均可分解为两个相互垂直的分量：,故：自然光可以用两个强度相等、振动方向相互垂直的无固定位相关系（即独立的或非相干的）平面偏振光来表示。, 所有光矢量在x，y轴方向的振幅为：,由于轴对称性，有：,若自然光的强度为I0根据Ax和Ay的非相干叠加,应有,5.2 线偏振光与部分偏振光,起偏器：,能以某种方式选择自然光中的一束线偏振光，而摒弃另一束线偏振光的光学器件。即能使自然光成为线偏振光的光学元件。,线偏振光,1、分解：,由于在传播过程中振动矢量的方向始终不变，线偏振光可分解为两束相互垂直的、位相相同的线偏振光。,电矢量表达式:,取“+”,取“-”,偏振
6、片： 有些薄膜材料 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 个方向称为偏振化方向。,偏振片,马吕斯定律,起偏与检偏,称这些薄膜为偏振片。,产生：,线偏振光由具有二向色性的晶体薄片产生。,二向色性：有些晶体对不同振动方向的电矢量具有选择吸收性质。,偏振片： 用具有二向色性的晶体加工成的薄片。它允许沿某个特殊方向振动的光矢量通过，而对沿其垂直方向振动的光矢量几乎完全被吸收。该特殊方向称为该偏振片的透振方向。,当光通过偏振片后，透射光为线偏振光，其光矢量方向与透振方向一致,一、由二向色性产生的线偏振光,偏振片,自然光通过偏振片后变为线偏振光，称为起偏。,偏振片又可用来检
7、验光线的偏振化程度，称为检偏。,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化,.,.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化,.,
8、.,.,.,.,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,偏振光通过旋转的检偏器， 光强发生变化,两偏振片的偏振化方向相互垂直 光强为零,.,.,.,.,.,检偏器,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,自然光,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转
9、的检偏器，光强不变,.,.,.,.,.,检偏器,自然光,自然光通过旋转的检偏器，光强不变,具有在轴对称的各个方向上电矢量的时间平均值是相等的这种特点的光称为自然光。,对于自然光,它是由轴对称分布、无固定相位关系的大量线偏振光集合而成的， 。,即：它可以看作是两个振幅相同、振动相互垂直的非相干的线偏振光的叠加。,起偏器,检偏器,自然光,线偏振光,马吕斯定律,马吕斯定律,偏振化方向之间的夹角,讨论：,2. 此定律只适用于没有光吸收的理想偏振片。,马吕斯定律,二、反射光的偏振态,一束自然光入射到两种介质分界面时，反射光和折射光的传播方向遵从反射定律和折射定律，其偏振态则由菲涅耳公式(或叫电磁场的边界
10、条件)决定。,自然光的电矢量可以分解为平行于入射面的分量和垂直分量，其振幅比为:,把两式结合起来，不考虑方向，便有,讨论：,在i1=0或i1=900的两种情况下，可得,因此上式中的电矢量的平行分量和垂直分量为,即反射光中电矢量的平行分量的值与垂直分量电矢量的值相等。,此外，当自然光以除i1=0及i1=900外的任何角度入射时，都的不等式：,则有：,由此可表明反射光中电矢量的平行分量值AP1总是小于电矢量的垂直分量AS1 值。具有这种电矢量性质的光叫部分偏振光。,1、部分偏振光：,由菲涅耳公式可推得（过程略）：反射光是两个振幅不等、振动方向相互垂直、非相干的线偏振光的叠加。此光称为部分偏振光。,
11、部分偏振光的图示：,垂直强于平行,平行强于垂直,任意一个场点上振动矢量的分布。,3、偏振度P：定量描述部分偏振光的偏振程度的物理量。,讨论,设:部分偏振光中某方向振动强度最大值为 ，其垂直方向最小值为 。,0P1时为 部分偏振光,布儒斯特角,线偏振光,4. 布儒斯特定律,1813年，布儒斯特发现：,一般情况下，反射光为垂直（于入射面）分量AS1值强于平行分量AP1值的部分偏振光。,当反射线垂直于折射线时，反射光成为线偏振光，且其振动矢量垂直于入射面。,布儒斯特定律：当自然光从介质n1入射到n2的分界面时，若入射角,即 i10+i2=900 其反射光将是光矢垂直于入射面的线偏振光。,对于玻璃,互
12、余,平行玻璃板上表面反射光是偏振光.,？,注意：上表面的折射角等于下表面的入射角,通常玻璃的反射率只有 7.5% 左右，要以反射获得较强的偏振光，你有什么好主意？,下表面的反射光是否也是偏振光？,四、透射光的偏振态：,由前面分析可知：除去反射光后的剩余光即为折射光。,折射光为部分偏振光，且平行（于入射面）分量强于垂直分量。（如右上图示）,只是在以布儒斯特角入射时，电矢量的平行分量是100%透过，这时透射光的偏振度最高。如（右下图示）,自然光以任意入射角入射时,折射后从介质透射出来的光总是部分偏振光.,利用菲涅耳公式可给予解释，见P58-60略,实际中，由于反射光较弱，要想得到较强的线偏光，可通
13、过在布儒斯特角下多次的反射、折射，将垂直入射面的振动“过滤”殆尽，从而使折射光成为近似的平面偏振光。“近似”的意义是，折射光的偏振度可达 P1，但不可能为 P=1。,自然光以布儒斯特角入射到透明介质堆上时，透射光几乎是线偏振光，它的电矢量平行于入射面。,在偏振光分析和激光技术中，广泛地应用着反射起偏和透射起偏。,外腔式激光管加装布儒斯特窗 以利于激光的形成，激光输出为线偏振光.,光来回反射时，光强垂直分量反射损耗太大不能形成激光，这样，光强平行分量就更易形成激光., 制成偏光眼镜，可观看立体电影。, 若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上与 地面成45角、且向同一方向倾斜的偏振片，,可以避免汽车会
14、车时灯光的晃眼。, 测量不透明介质的折射率？,应用：,有反射光干扰的橱窗,在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰,（C） 用偏光镜消除了反射偏振光,使玻璃门内的人物清晰可见,（A） 玻璃门表面的反光很强,（B） 用偏光镜减弱了反射偏振光,例1两平行放置的偏振片, 偏振化方向成300角,自然光垂直入射后, 透射光与入射光的强度之比为多少? (分别讨论无吸收和10%的吸收的情况),解：无吸收时,根据马吕斯定律,10%吸收时,例2如图, P1、P2为两块偏振片，现以强度为I1的自然光和强度为I2的线偏振光同时垂直入射于P1，在E处观察通过P1和P2后的光强。,(1) P1任意放置后不动, 将P2以光线方向为轴转动一周, 计算并讨论这时在E处所观察到的光强变化情况； (2)要在E处得到最大光强, 应如何实现?,解：设P1、P2的偏振化方向夹角为,入射线偏振光振动方向与P1的偏振化方向夹角为,对自然光：,线偏振光：,因I1和I2是非相干光,即在E处观察到的光强随P1的转动而周期性变化,在E处得到最大光强，须同时满足,则,时,时,例3将一介质平板放在水中, 板面与水平面的夹角为，如图。已知折射率n水=1.333，n介质=1.681，要使水面和介质面反射光均为线偏振光, 求,解：如图所示,
