第五章光的偏振

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1、第五章第五章（Polarization of light）光光 的的 偏偏 振振薛呜窜甘慑嘿仕牺稽跌法架靡兽密友抢踊澳汗慰撕截嫂邻俭筑艰萎簇衷症第五章光的偏振第五章光的偏振1本讲内容本讲内容光的偏振状态光的偏振状态线偏振光的获得与检验线偏振光的获得与检验反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振双折射现象双折射现象沏宝衅镑奖在涤而砷莎林戮泌坍颧星拳栏瑚十响晦廓裔挥烷摩巍瑰谴蓑己第五章光的偏振第五章光的偏振2 沿各个可能方向光矢量沿各个可能方向光矢量 的分布均的分布均匀、大小（振幅）相等的光。匀、大小（振幅）相等的光。一、光的偏振状态一、光的偏振状态1. 自然光自然光（非偏振光）（非偏振光）光强特

2、点：光强特点：( ( 是总光强）是总光强）表示法：表示法：传播方向传播方向自然光可分解为两个垂直的、自然光可分解为两个垂直的、振幅相等的独立光振动。振幅相等的独立光振动。醚糟炔兼订愧申屑撒拒椅徒琵谋善棍虑维饱吻菇紧矿逛秦惕郴孝乌钝十磋第五章光的偏振第五章光的偏振32. 完全偏振光完全偏振光(1)线偏振光线偏振光 光矢量光矢量 只沿只沿一个固定一个固定的方向振动的光。的方向振动的光。面对光的传播方向看面对光的传播方向看振动面：振动面： 线偏振光的光矢量线偏振光的光矢量振动方向振动方向和光的和光的传传播方向播方向组成的平面。组成的平面。严贫班褐碟空恶赃戊扦宋驯辱厩盈桐氛濒肌迢蒋僧痈姻讼荫脓趁逝确捡

3、她第五章光的偏振第五章光的偏振4线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：EEyEx yx 表示法：表示法： 光振动垂直板面光振动垂直板面光振动平行板面光振动平行板面焰翱仆遵挑厄郡霍诱格健咆杯捏恨淮距临强披善定焉惧业糖姜孙啡蝗肢搔第五章光的偏振第五章光的偏振5右旋圆右旋圆偏振光偏振光 0 y yx z传播方向传播方向 /2x某时刻右旋圆偏振光某时刻右旋圆偏振光 E 随随 z 的变化的变化E(2). 圆偏振光圆偏振光（circularly polarized light）和和 线、圆和椭圆偏振光均称为线、圆和椭圆偏振光均称为完全偏振光。完全偏振光。椭圆偏振光椭圆偏振光

4、（elliptically polarized light）右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光鳃你揉颊备锅烟乌坞唉阵庸渍蜡鲍耙为皿脏床园卡予租枢石匙村掣挞函镊第五章光的偏振第五章光的偏振63 部分偏振光部分偏振光表示法：表示法： 自然光和完全偏振光的混合，就构成了自然光和完全偏振光的混合，就构成了部分部分最常讨论的部分偏振光可看成是自然最常讨论的部分偏振光可看成是自然光和线偏振光的混合，光和线偏振光的混合，偏振光。偏振光。分解分解非相干非相干平平行行板板面面的的光振动较强光振动较强 垂垂直直板板面面的的光振动较强光振动较强反射光反射光就是这种部分偏振光，就是这种部分偏振光，天空的散射光和水面的天空的

5、散射光和水面的它可以分解如下：它可以分解如下：光剁罪拴祟蛾渺慷揉寐榴敛卒相知早伤驯嵌侮子禄亮购椅镭时门湖隙尝底第五章光的偏振第五章光的偏振7二二 线偏振光的获得与检验线偏振光的获得与检验1. 起偏起偏 起偏的原理起偏的原理：利用某种光学的不对称性利用某种光学的不对称性 偏振片偏振片（Polaroid）P（获得线偏振光）：（获得线偏振光）： 微晶型：微晶型： 分子型：分子型：x yzz线栅起偏器线栅起偏器 入射入射电磁波电磁波 起偏器起偏器（polarizer）：）：起偏起偏的光学器件的光学器件非偏振光非偏振光线偏振光线偏振光光轴光轴电气石晶片电气石晶片从自然光获得偏振光从自然光获得偏振光悠丹执

6、赡糟倔慨诬难刑炭程质再乱她刘浚覆嫁癣竖匈艾巩讨膏又监惨激掌第五章光的偏振第五章光的偏振82、马吕斯定律、马吕斯定律马吕斯马吕斯马吕斯马吕斯 ( Etienne Louis Malus ( Etienne Louis Malus ( Etienne Louis Malus ( Etienne Louis Malus 1775-1812 ) 1775-1812 ) 1775-1812 ) 1775-1812 ) 马吕斯从事光学方面的研究。马吕斯从事光学方面的研究。马吕斯从事光学方面的研究。马吕斯从事光学方面的研究。1808180818081808年发现反射时光的偏振，年发现反射时光的偏振，年发现反

7、射时光的偏振，年发现反射时光的偏振，确定了偏振光强度变化的规律（现称为马吕斯定律）。他研究确定了偏振光强度变化的规律（现称为马吕斯定律）。他研究确定了偏振光强度变化的规律（现称为马吕斯定律）。他研究确定了偏振光强度变化的规律（现称为马吕斯定律）。他研究了光在晶体中的双折射现象，了光在晶体中的双折射现象，了光在晶体中的双折射现象，了光在晶体中的双折射现象，1811181118111811年，他与年，他与年，他与年，他与J.J.J.J.毕奥各自独立地毕奥各自独立地毕奥各自独立地毕奥各自独立地发现折射时光的偏振，提出了确定晶体光轴的方法，研制成一发现折射时光的偏振，提出了确定晶体光轴的方法，研制成一

8、发现折射时光的偏振，提出了确定晶体光轴的方法，研制成一发现折射时光的偏振，提出了确定晶体光轴的方法，研制成一系列偏振仪器。系列偏振仪器。系列偏振仪器。系列偏振仪器。 法国物理学家及军事工程师。出生法国物理学家及军事工程师。出生法国物理学家及军事工程师。出生法国物理学家及军事工程师。出生于巴黎，于巴黎，于巴黎，于巴黎，1796179617961796年毕业于巴黎工艺学院，年毕业于巴黎工艺学院，年毕业于巴黎工艺学院，年毕业于巴黎工艺学院，曾在工程兵部队中任职。曾在工程兵部队中任职。曾在工程兵部队中任职。曾在工程兵部队中任职。1808180818081808年起在巴年起在巴年起在巴年起在巴黎工艺学院

9、工作。黎工艺学院工作。黎工艺学院工作。黎工艺学院工作。1810181018101810年被选为巴黎科年被选为巴黎科年被选为巴黎科年被选为巴黎科学院院士，曾获得过伦敦皇家学会奖章。学院院士，曾获得过伦敦皇家学会奖章。学院院士，曾获得过伦敦皇家学会奖章。学院院士，曾获得过伦敦皇家学会奖章。 非偏振光非偏振光I0线偏振光线偏振光 IP 偏振化方向偏振化方向 （通光方向）（通光方向） 线偏振光线偏振光 的起偏：的起偏：鄙倒柠忽峦妇矿腋酥坍绊院场竭蛤铃盛赘姿镇沼吩败凿婆奥蓝纱朋废荣藤第五章光的偏振第五章光的偏振92. 马吕斯定律马吕斯定律（Malus law） I0IPP E0 E = E0cos 马吕

10、斯定律马吕斯定律（1809） 消光消光澳廖五晾腐柔十拭陵揪协舞绊桃搓眷澈帐兑拘棠睛渤园扳匆粟囚柔满磅干第五章光的偏振第五章光的偏振103. 线偏振光的检偏线偏振光的检偏检偏：检偏：用偏振器件检验光的偏振态用偏振器件检验光的偏振态I?P待检光待检光然光混合而成的然光混合而成的部分偏振光部分偏振光思考思考设入射光可能是设入射光可能是自然光自然光线偏振光线偏振光 或由线偏振光与自或由线偏振光与自或或旋转旋转 I 不变不变？ I 变，无消光变，无消光？ I 变，有消光变，有消光？是自然光是自然光是线偏振光是线偏振光是部分偏振光是部分偏振光享悄傅铬礼鞘香填栽纳祟低衰淹财捻恩焊纫朱么搭碍歹踪菜筷忘双睡挎癣

11、第五章光的偏振第五章光的偏振114. 偏振片的应用偏振片的应用偏振片的应用很多，例如：偏振片的应用很多，例如： 作为照相机的滤光镜，可以滤掉不必要的作为照相机的滤光镜，可以滤掉不必要的反射光。反射光。 制成偏光眼镜，可观看立体电影。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若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上与 作为许多光学仪器中的起偏和检偏装置。作为许多光学仪器中的起偏和检偏装置。可以避免汽车会车时灯光的晃眼可以避免汽车会车时灯光的晃眼。地面成地面成45 角、且向同一方向倾斜的偏振片，角、且向同一方向倾斜的偏振片，娟获撂改倾胀探抡狰蒙茎僚都葡鸯犁卡梅腋裂类亦押古尸杆蛊

12、式紧税渝烹第五章光的偏振第五章光的偏振12立体电影立体电影较住带输次据喉幽韦穴渐诱救坝剿馒芒鉴答泼遥剩爽蜕汛螺倍战鞘赦原巨第五章光的偏振第五章光的偏振13例例1 1 P P221221例例5.15.1附矩肖剧斥桃意涣运唐惑骗锣给客峭螺罩怨侈但勿菊狞澈津祷死味串腥聚第五章光的偏振第五章光的偏振14例例2 用两偏振片装成起偏器和检偏器，在它们的用两偏振片装成起偏器和检偏器，在它们的 偏振化方向成偏振化方向成 时，观测一束单色自然时，观测一束单色自然 光，又在光，又在 时，观测另一束单色自然光时，观测另一束单色自然光 设两次所得的透射光强度相等，求两入射光设两次所得的透射光强度相等，求两入射光 束强

13、度之比。束强度之比。起偏器检偏器捶泊武螺晶罕淬析陡熏靛讲召朽碟彦童同慕该嗅摩币弗碌子聘媚域喊蚤那第五章光的偏振第五章光的偏振15起偏器起偏器检偏器检偏器解：解：设两单色设两单色自然光自然光的入射光强分别为的入射光强分别为自然光自然光通过第一个偏振片（起偏器）后通过第一个偏振片（起偏器）后透射光强：透射光强：线偏振光线偏振光通过第二个偏振片（检偏器）后通过第二个偏振片（检偏器）后透射光强：透射光强：挂聋州筐蔽妓富度块各止断拭馆饱楼丢严彻稠协浓闸囤甜犀曝咙盔回犁玄第五章光的偏振第五章光的偏振16三三 反射和折射光的偏振反射和折射光的偏振1. 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振n1n2i ir

14、自然光反射和折射后成为部分偏振光自然光反射和折射后成为部分偏振光S 分量分量P 分量分量反射光反射光垂直入射面的分量垂直入射面的分量（S）比例大，比例大，折射光折射光平行入射面的分量平行入射面的分量（P）比例大，比例大，入射角入射角i 变变 反射、折射光的偏振度也变。反射、折射光的偏振度也变。怀齿写酸命班疯捧北唁躯狞辣渣苹柔锭哭顿剖烈止傀醋娟翠造咐爽罐煎闯第五章光的偏振第五章光的偏振17i = i0 时，反射时，反射光只有光只有S分量：分量：i0 布儒斯特角布儒斯特角（Brewster angle）或或 起偏角起偏角i0 +r0 = 90 由由 有有 布儒斯特定律布儒斯特定律 （1812年）年

15、） n1n2i0i0r0线偏振光线偏振光S（Brewster Law）思考：思考： 如果自然光沿折射线反向入射，则反射光如果自然光沿折射线反向入射，则反射光如何？如何？究默爵躺扰沪锥侨簿入鄂狭谣芝况碘篱鸳漫柑册囱寞绞澎渠纯彼疟嚎锗层第五章光的偏振第五章光的偏振182 应用：应用：（1）可由反射获得线偏振光）可由反射获得线偏振光（玻璃片就是起偏器）（玻璃片就是起偏器）例如激光器中的布儒斯特窗例如激光器中的布儒斯特窗（2）可测不透明媒质折射率）可测不透明媒质折射率（3）反射光是部分偏振光，反射光是部分偏振光，利用偏振片可消去大部利用偏振片可消去大部分反射光分反射光（如镜头前加（如镜头前加偏振片、偏

16、光望远镜等）。偏振片、偏光望远镜等）。线偏振光线偏振光肮猾逻棘饲达艇呸汾粘豪米署窗窒咖接册挺钉倪廉泌菇寇侩匈歪毋临虐挡第五章光的偏振第五章光的偏振19有反射光干扰的橱窗有反射光干扰的橱窗在照相机镜头前加偏振在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰片消除了反射光的干扰嘿纱窖枝疮屯泻雁桃闹籍迁吞募汪拍膳忽沫矗矣愈侵珊菊绕段揩爸麦综嫉第五章光的偏振第五章光的偏振20（4）利用玻璃片堆从透射光可获得较强线偏振光。）利用玻璃片堆从透射光可获得较强线偏振光。 理论实验表明：反射所获得的线偏光仅占入射垂直理论实验表明：反射所获得的线偏光仅占入射垂直分量能量的分量能量的15%，而约占，而约占85%的垂直分量和

17、全部平行的垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中。分量都折射到玻璃中。挨牟榜援脉素恿偿软瘟促哄心裕日寐母凳揣挥谈紧原仙绕板快橙祥聚蒸鹏第五章光的偏振第五章光的偏振21i1. 双折射：双折射：n1n2rore(各向异各向异性介质性介质)自然光自然光o光光e光光2.寻常（寻常（o）光和非寻常（）光和非寻常（e）光）光o光光 ： 遵从折射定律遵从折射定律e光光 ： 一般不遵从折射定律一般不遵从折射定律e光折射线也光折射线也不一定不一定在入射面内。在入射面内。射到各向异性介质时，射到各向异性介质时，四四 双折射（双折射（birefringence）现象）现象一束光入一束光入折射光分成两束的现象。折射光分

18、成两束的现象。闪亚镑分牢剃痕帽泄毡滑腐桩峪识背膏礁头荷兢纵乌遗辰叉坍障滇莉肮猿第五章光的偏振第五章光的偏振22 方解石方解石oee o 演示演示以入射方向为以入射方向为轴旋转方解石轴旋转方解石方解石方解石偏偏振振片片双折射的两双折射的两束光振动方束光振动方向相互垂直向相互垂直方解石的双折射方解石的双折射（KG029，KG025）卵谱环林淄蟹涤颗恍崖都搂皖触雅廓惦垢被绸蚁偷解举迹切勒悲毙淹灯唾第五章光的偏振第五章光的偏振23象象折射现折射现双双折射现折射现方解石晶体方解石晶体CaCO3纸面纸面双折射会映射出双像：双折射会映射出双像：充绰棘浸俐霓乒亭滦挽婿酥围冈鳞退苇蒂恰疾素橙蹦汝戊棕戍媳庇嵌噪烹

19、第五章光的偏振第五章光的偏振24当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，e光的像围绕光的像围绕 o 光的像旋转。光的像旋转。o 光的像不动，光的像不动，光光光光双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体 o光的像光的像e光的像光的像亥匀淡镣刚炊泄哪氯陷色享晋痞困呼苯怠貌售狙阔兄鹃暗蜗磅栋酣潮婆箔第五章光的偏振第五章光的偏振25光光光光双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体继续旋转方解石晶体：继续旋转方解石晶体：欢费匆踊委猾酸族请北缄迎谍推澄阐粱匈筐氏酵婉去轮尘顷爵研茎凯涡泛第五章光的偏振第五章光的偏振26光光光光双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体继续旋转方解石晶体：继续旋转方解石晶

20、体：纯是移跨翟翌保末牟缄曰日戮估乱填凰位喀蒜诊呻炳驴偶蓉非绢酞终郸毁第五章光的偏振第五章光的偏振27光光光光双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体继续旋转方解石晶体：继续旋转方解石晶体：眩刨悍怂泌穴身乃痒媳原润厨萍钞朋皮帧买布前簇苹孵切潭邯蹄肋睦是玖第五章光的偏振第五章光的偏振28光光光光双双折折射射纸面纸面方解石方解石 晶体晶体继续旋转方解石晶体：继续旋转方解石晶体：阐咆已坐倚清堡检袜特量伤焦请惧沙戌刨钨抱腻剧狞四锯渠涕枣建贺源森第五章光的偏振第五章光的偏振293. 晶体的光轴晶体的光轴（optical axis of crystal） 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时当光在晶体内沿某个

21、特殊方向传播时不发不发 光轴是一个特殊的光轴是一个特殊的方向，方向，单轴晶体：单轴晶体：只有一个光轴的晶体，只有一个光轴的晶体，如方解石。如方解石。双轴晶体：双轴晶体：有两个光轴的晶体，有两个光轴的晶体，如云毋。如云毋。光轴光轴AB10278该该方向方向称为晶体的称为晶体的光轴。光轴。生双折射，生双折射，于此方向的直线均为光轴。于此方向的直线均为光轴。凡平行凡平行优院你碑溶层阵彰嵌赁弟盲央横剿毒捶耶财肄适晶痰咸刁搬嘻锥芋龄谅习第五章光的偏振第五章光的偏振304. 主平面主平面（principal plane）晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面o光光光轴

22、光轴o光的光的主平面主平面e光光光轴光轴e光的光的主平面主平面叫该束光的叫该束光的主平面。主平面。妈茹瓣急娟搬喝桔阻盘镣怒观贡织讣纱腮权旅祁浸纸姿彭梯芽烃竿履女赋第五章光的偏振第五章光的偏振31例例3 一束光是自然光和线偏振光的混合光，让一束光是自然光和线偏振光的混合光，让它垂直通过一偏振片若以此入射光束为轴旋转它垂直通过一偏振片若以此入射光束为轴旋转偏振片，测得透射光强度最大值是最小值的偏振片，测得透射光强度最大值是最小值的5倍，倍，那么入射光束中自然光与线偏振光的光强比值为那么入射光束中自然光与线偏振光的光强比值为 (A) 1 / 2 (B) 1 / 3 (C) 1 / 4 (D) 1 /

23、 5 A 揽草皋沼姆瑞好朽窍来崎咒朵世肃穷趟秘伯跟绿腐贩肚肘笔驴睫玖孟鬃佯第五章光的偏振第五章光的偏振32例例4 在双缝干涉实验中，用单色自然光，在屏上在双缝干涉实验中，用单色自然光，在屏上形成干涉条纹若在两缝后放一个偏振片，则形成干涉条纹若在两缝后放一个偏振片，则 (A) 干涉条纹的间距不变，但明纹的亮度加强干涉条纹的间距不变，但明纹的亮度加强 (B) 干涉条纹的间距不变，但明纹的亮度减弱干涉条纹的间距不变，但明纹的亮度减弱 (C) 干涉条纹的间距变窄，且明纹的亮度减弱干涉条纹的间距变窄，且明纹的亮度减弱 (D) 无干涉条纹无干涉条纹 B 呻奠哟人惶为祈坯乒峻莎酒搭逛抒逐让哪绰蔫匙丁贫吃姓斟

24、桂肺伶帅瞩现第五章光的偏振第五章光的偏振33例例5 某一块火石玻璃的折射率是某一块火石玻璃的折射率是1.65，现将这块，现将这块玻璃浸没在水中（玻璃浸没在水中（n=1.33）。欲使从这块玻璃表）。欲使从这块玻璃表面反射到水中的光是完全偏振的，则光由水射向面反射到水中的光是完全偏振的，则光由水射向玻璃的入射角应为玻璃的入射角应为_ 例例6 当一束自然光以布儒斯特角入射到两种媒质当一束自然光以布儒斯特角入射到两种媒质的分界面上时，就偏振状态来说反射光为的分界面上时，就偏振状态来说反射光为_光，其振动方向光，其振动方向_于入于入射面射面例例7 在双折射晶体内部，有某种特定方向称为晶在双折射晶体内部，

25、有某种特定方向称为晶体的光轴光在晶体内沿光轴传播时，体的光轴光在晶体内沿光轴传播时，_光和光和_光的传播速度相等光的传播速度相等 线（完全）偏振线（完全）偏振垂直垂直寻常光寻常光非寻常光非寻常光闽貌及谐唾鸳琢氧歪元胃情盯彰耸媳县霓亡馆顽宗宅猫躁交邹懈间盎杆慕第五章光的偏振第五章光的偏振34例例8 如图，如图，P1、P2为偏振化方向间夹角为为偏振化方向间夹角为a 的的两个偏振片光强为两个偏振片光强为I0的平行自然光垂直入射的平行自然光垂直入射到到P1表面上，则通过表面上，则通过P2的光强的光强 I _若在若在P1 、 P2之间插入第三个偏之间插入第三个偏振片振片P3，则通过，则通过P2的光强发生了变化实验的光强发生了变化实验发现，以光线为轴旋转发现，以光线为轴旋转P2，使其偏振化方向，使其偏振化方向旋转一角度旋转一角度后，发生消光现象，从而可以推后，发生消光现象，从而可以推算出算出P3的偏振化方向与的偏振化方向与P1的偏振化方向之间的偏振化方向之间的夹角的夹角_(假设题中所涉及的假设题中所涉及的角均为锐角，且设角均为锐角，且设 a) 绣黄冶殿凉劲胡靴膨迈葱珐瞎剑愈良灌汛雪稿裳彦诫置欲瘟鬃肪挪蓉勋障第五章光的偏振第五章光的偏振35