18光的偏振(Mi)

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1、23-1 自然光和偏振光自然光和偏振光 光波是电磁波光波是电磁波, 每个光波列都是横每个光波列都是横波波.一、一、自然光自然光 矢量、矢量、 矢量和传播方向矢量和传播方向 三者三者 相互垂直相互垂直。 电磁波中起光作用的是电场强度矢电磁波中起光作用的是电场强度矢量量 ( 光矢量光矢量 )。 光矢量在平面内振动，这种特性光矢量在平面内振动，这种特性称为偏振。称为偏振。光的振动面光的振动面 普通光源发出大量光波列的振动普通光源发出大量光波列的振动方向和相位是随机的，在垂直于光传方向和相位是随机的，在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向都有光播方向的平面内，沿各个方向都有光振动。振动。 从统计平均角

2、度，无论哪个方向从统计平均角度，无论哪个方向的振动强度都不比其他方向占优势的振动强度都不比其他方向占优势 （各向同性），即各个方向振动强度（各向同性），即各个方向振动强度相同，光矢量的振幅相等，这种光称相同，光矢量的振幅相等，这种光称为为自然光自然光。 在某些情况下，在垂直于光传播在某些情况下，在垂直于光传播方向平面内，光振动在某一方向显方向平面内，光振动在某一方向显著较大，或只在该方向有光振动，著较大，或只在该方向有光振动，这种光称为这种光称为偏振光偏振光。二、偏振光及其分类二、偏振光及其分类偏振光可分为三类：偏振光可分为三类： 1. 线线偏振光偏振光振动面振动面光矢量光矢量 - 光光矢矢量

3、量只只沿沿一一个个固固定定方方向向振振动动的的光光（又又称称平平面面偏偏振振光光或或完完全全偏偏振振光）光）。2. 部分偏振光部分偏振光 - 在垂直于光传播方向的平面在垂直于光传播方向的平面内，各方向都有光振动，但振幅不等内，各方向都有光振动，但振幅不等. 在在垂垂直直于于光光的的传传播播方方向向的的平平面面内内，光矢量以一定的频率旋转。光矢量以一定的频率旋转。 3. 圆偏振光和椭圆偏振光圆偏振光和椭圆偏振光椭圆偏振光：矢量端点轨迹为椭圆椭圆偏振光：矢量端点轨迹为椭圆圆偏振光：矢量端点轨迹为圆圆偏振光：矢量端点轨迹为圆 自然光可分解为两个垂直的线偏自然光可分解为两个垂直的线偏振光，它们是独立的

4、，没有固定的相振光，它们是独立的，没有固定的相位差。位差。 这这两两线偏振光的强度各等于自然线偏振光的强度各等于自然光强度的一半。光强度的一半。自然光的表示法：自然光的表示法：xy23-2 由介质吸收引起的光的偏振由介质吸收引起的光的偏振 一、偏振片一、偏振片 用某种光学元件，从自然光获得偏用某种光学元件，从自然光获得偏振光，振光，称为称为起偏起偏。该。该元件称为元件称为起偏起偏器器. . 常用的常用的起偏起偏器是器是偏振片偏振片，它能吸收，它能吸收某一方向某一方向的的光振动，让与其垂直方向光振动，让与其垂直方向（偏振化方向）偏振化方向）的光振动通过。的光振动通过。聚乙烯醇聚乙烯醇碘链碘链偏振

5、化偏振化方向方向偏振化方向偏振化方向无吸收时，无吸收时，I二、二、 用偏振片检偏用偏振片检偏 利用偏振片检验利用偏振片检验入射光是否为偏振入射光是否为偏振光及光及光线的偏振化程度，称为光线的偏振化程度，称为检偏检偏.1. 入射光为线偏振光入射光为线偏振光起偏起偏检偏检偏偏振化方向偏振化方向偏振化方向偏振化方向起偏起偏检偏检偏 入射光为线入射光为线偏振光，偏振光，检偏器旋转一检偏器旋转一周，观测到亮度变化：周，观测到亮度变化：明明 暗暗 明明 暗暗 明明检偏检偏2. 入射光为自然光：入射光为自然光：3. 入射光为部分偏振光：入射光为部分偏振光：光度无变化光度无变化明明 次明次明 明明 次明次明

6、明明 三、马吕斯定律三、马吕斯定律 (1) (1) a a = 0 时时, , I2= I1 光最强光最强讨论：讨论： (2) (2) a a = 90o 时时, , I2 = 0 光最弱光最弱-马吕斯定律马吕斯定律 例例: 两平行放置的偏振片两平行放置的偏振片, 偏振化偏振化方向成方向成 450 角角, 自然光垂直入射后自然光垂直入射后, 透射光与入射光的强度之比为多少透射光与入射光的强度之比为多少?（ 分别讨论分别讨论偏振化方向偏振化方向无吸收和有无吸收和有10% 吸收的情况。）吸收的情况。）解：解：偏振化方向偏振化方向无吸收时无吸收时,根据马吕斯定律根据马吕斯定律偏振化方向偏振化方向有有

7、10%吸收时，吸收时， 例例: （例（例23.1 , P.645）两平行放置两平行放置的偏振片的偏振片P1 和和 P3 , 偏振化方向相互垂偏振化方向相互垂直，中间平行插入一偏振片直，中间平行插入一偏振片P2 ，光强光强为为 I0 的自然光垂直入射于的自然光垂直入射于P1 。转动转动 P2 ，当当P2 与与 P1 的偏振化方向成的偏振化方向成 角角时，透射光的强度为多少时，透射光的强度为多少? P1P2P3I3 解解：通过各偏振片的光矢量的振：通过各偏振片的光矢量的振动方向如图。动方向如图。 根据光振幅矢根据光振幅矢量的位置关系量的位置关系, 得得A1A2A3P1P2P3A1A2A3I3而而则

8、则 多大多大时，透射光最强？时，透射光最强？ 例例: 自然光和线偏振光的混合光束，自然光和线偏振光的混合光束，通过一偏振片时，随着以光线方向为通过一偏振片时，随着以光线方向为轴转动一周，透射光的强度跟着改变。轴转动一周，透射光的强度跟着改变。如果最强和最弱的光强之比为如果最强和最弱的光强之比为 6 :1 , 求入射光中自然光和线偏振光的强度求入射光中自然光和线偏振光的强度比。比。 解：解：设自然光和设自然光和线偏振光的强度分别线偏振光的强度分别为为I1 和和 I2 , 透射光透射光的的强度分别为强度分别为I1 和和 I2 , 对自然光，无论偏振片如何转动，对自然光，无论偏振片如何转动，有有对线

9、偏振光对线偏振光最大强度最大强度 ，最小强度最小强度 所以混合光束最大强度为所以混合光束最大强度为 最小强度为最小强度为 得自然光和线偏振光的强度比得自然光和线偏振光的强度比23-3 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振 一、反射光和折射光的部分偏振现象一、反射光和折射光的部分偏振现象 自然光在两各向同自然光在两各向同性介质分界面上反射性介质分界面上反射和折射时，反射光和和折射时，反射光和折射光一般均为折射光一般均为部分部分偏振光偏振光。 反射光垂直于入射面的振动较强，反射光垂直于入射面的振动较强，折射光平行于入射面的振动较强。折射光平行于入射面的振动较强。二、二、布儒斯特定律布儒斯特定律

10、 1812年年布儒斯特发布儒斯特发现现, ,当入射角为某特定当入射角为某特定值值 i0 时，时，反射光反射光为线为线偏振光偏振光, ,振动方向垂直振动方向垂直于入射面。于入射面。 入射角入射角 i 改变时，两光的偏振化程改变时，两光的偏振化程度发生改变。度发生改变。布儒斯特角布儒斯特角i0 满足满足-布儒斯特定布儒斯特定律律i0 又称为起偏振角。又称为起偏振角。 此时反射光与折此时反射光与折射光垂直，即有射光垂直，即有由折射定律由折射定律说明：说明： 且且由由布儒斯特定律布儒斯特定律 两式两式相除得相除得 则则 i = i0 时，反射光为线偏振光，而时，反射光为线偏振光，而折射光仍然是部分偏振

11、光，但此时偏折射光仍然是部分偏振光，但此时偏振化程度最高。振化程度最高。 此时，此时，垂直于垂直于入射面的振动光能入射面的振动光能只被只被反射一小部分反射一小部分 (15%)，折射光，折射光较强。较强。 让让自自然然光光通通过过玻玻璃璃片片堆堆，可可使使折折射射光光的的偏偏振振化化程程度度增增加加。玻玻璃璃片片足足够够多时，可使折射光成为完全偏振光。多时，可使折射光成为完全偏振光。可可用玻璃片堆作起偏器：用玻璃片堆作起偏器： 例例：如图，线偏振光入射到两介：如图，线偏振光入射到两介质分界面，质分界面，i0 为起偏振角。分别画出为起偏振角。分别画出反射光和入光射的振动情况。反射光和入光射的振动情

12、况。解解：若若 i0 不是起偏振角，结果如何？不是起偏振角，结果如何？反射光强度为零。反射光强度为零。若若 i0 不是起偏振角，结果如何？不是起偏振角，结果如何？23-4 由由双折射引起的光的偏振双折射引起的光的偏振 一、一、双折射现象双折射现象双双折折 射射双双 折折双双 折折方解石晶体方解石晶体o光光e光光 寻常光寻常光( (o光光) )：遵守折射定律遵守折射定律 非常光非常光( (e光光) )：不遵守折射定律不遵守折射定律 当方解石晶体旋转时，当方解石晶体旋转时，o 光不动，光不动， e 光围绕光围绕 o 光旋转。光旋转。 各向异性透明介质，都会发生双折各向异性透明介质，都会发生双折射现

13、象。射现象。 非常光非常光( (e 光光) )不遵守折射定律：折不遵守折射定律：折射光一般不在入射面内；下式不再成射光一般不在入射面内；下式不再成立，立， 该比值随该比值随 i 的改变而变化。的改变而变化。 用用检检偏方法发现，偏方法发现，o 光和光和e 光均为光均为线偏振光。线偏振光。 二、双折射光的偏振方向二、双折射光的偏振方向 光轴：光轴：光线在晶体中沿某一方光线在晶体中沿某一方向传播时不发生双折射现象，寻常光向传播时不发生双折射现象，寻常光和非常光不再分开，且速度相同，和非常光不再分开，且速度相同，这这一方向称为晶体的光轴。一方向称为晶体的光轴。 1. 描述晶体光学特性描述晶体光学特性

14、的物理量的物理量 主平面主平面：晶体中折射光线：晶体中折射光线( (o 光光或或e 光光) )与光轴组成的平面。与光轴组成的平面。光轴光轴法线法线o光光e光光o光主平光主平面面e光主平光主平面面 o 光在入射面内，光在入射面内，e 光一般不在入射光一般不在入射面内，面内，o 光和光和e 光的主平面并不重合。光的主平面并不重合。 2. o 光和光和e 光的偏振方向光的偏振方向 o 光的振动方向垂直于它的主平面光的振动方向垂直于它的主平面, , e 光的振动方向平行于它的主平面。光的振动方向平行于它的主平面。o光光e光光 特特殊殊情情况况：当当光光轴轴在在入入射射面面内内时时, , o光光和和e光

15、光的的主主平平面面重重合合( (都都在在入入射射面面 内内），此此时时o光光与与e光光的的振振动动方方向向相相互互垂直。垂直。光轴光轴oe 当当光光轴轴不不在在入入射射面面内内时时, ,o光光和和e光光的的主主平平面面不不重重合合，但但两两平平面面夹夹角角很很小小，此此时时o光光与与e光光的的振动方向近似垂直。振动方向近似垂直。 三、三、双折射现象的解释双折射现象的解释 产生双折射现象的根本原因是产生双折射现象的根本原因是o光光在晶体内的速度是各向同性的在晶体内的速度是各向同性的, ,而而e光光却是各向异性的。却是各向异性的。 1. 单轴晶体的子波波阵面单轴晶体的子波波阵面 o 光的子波波面为

16、球形面；光的子波波面为球形面； e 光的子波波面为旋转椭球面。光的子波波面为旋转椭球面。光轴光轴正晶体正晶体负晶体负晶体 o 光的传播方向与波阵面垂直；光的传播方向与波阵面垂直； e 光的传播方向与波阵面一般不垂直；光的传播方向与波阵面一般不垂直； o 光的折射率光的折射率 e 光的主折射率光的主折射率正晶体正晶体负晶体负晶体光轴光轴光轴光轴 2. 惠更斯原理对双折射的解释惠更斯原理对双折射的解释（设光轴在入射面内）（设光轴在入射面内）光轴光轴光轴光轴 两光不分开，但两光不分开，但速度不同，光的传速度不同，光的传播方向与光轴垂直播方向与光轴垂直. 两光不分开，且两光不分开，且速度相同，光的传速度相同，光的传播方向为光轴方向播方向为光轴方向. 四、尼科尔棱镜四、尼科尔棱镜-分开分开o 光和光和e 光光加拿大树胶加拿大树胶方解石方解石晶体晶体光轴光轴 尼尼科尔科尔棱镜可起偏和检偏，符合马棱镜可起偏和检偏，符合马吕斯定律。吕斯定律。