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1、 第第15章章（Polarization of light）光的偏振光的偏振115.1 光的偏振态光的偏振态 偏振偏振研究光矢量在垂直于传播方向的平面研究光矢量在垂直于传播方向的平面内的振动状态内的振动状态(偏振态偏振态)。 最常见的光偏振状态有五种最常见的光偏振状态有五种:自然光、线偏振自然光、线偏振光、部分偏振光、光、部分偏振光、*椭圆偏振光和圆偏振光。椭圆偏振光和圆偏振光。EH光的传播方向光的传播方向 光光波波是是横横(电电磁磁)波波。光光波波中中光光矢矢量量(电电场场)的振动方向与光的传播方向垂直。的振动方向与光的传播方向垂直。2一一.自然光自然光 部分偏振光部分偏振光 线偏振光线偏振
2、光 自然光的表示法：用两个独立的自然光的表示法：用两个独立的(无确定相位关无确定相位关系系)、相互垂直的等幅振动来表示。、相互垂直的等幅振动来表示。 圆点圆点表示垂直于表示垂直于纸面的振动纸面的振动,短线短线表示平行于纸面的振动。表示平行于纸面的振动。 由于原子发光的间歇性和无规则性，使得由于原子发光的间歇性和无规则性，使得 普通光源发出的光的普通光源发出的光的光矢量光矢量在垂直于传播方向在垂直于传播方向的平面内以极快的速度的平面内以极快的速度取取0360 内的内的一切可能的方向，一切可能的方向，且没有哪一个方向占有优势。且没有哪一个方向占有优势。具有上述特性的光，称具有上述特性的光，称为为自
3、然光自然光。3完全偏振光完全偏振光(线偏振光、平面偏振光线偏振光、平面偏振光)的表示法：的表示法： 将自然光中两个相互垂直的等幅振动之一将自然光中两个相互垂直的等幅振动之一完完全全移去得到的光，称为移去得到的光，称为完全偏振光完全偏振光。 部分偏振光的表示法：部分偏振光的表示法： 将自然光中两个相互垂直的等幅振动之将自然光中两个相互垂直的等幅振动之一一部分部分移去得到的光，称为移去得到的光，称为部分偏振光部分偏振光。 4*二二.椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光 如果光矢量的端点轨迹是一个椭圆，这如果光矢量的端点轨迹是一个椭圆，这 种光叫做椭圆偏振光。种光叫做椭圆偏振光。 如果光矢量端点
4、轨迹是一个圆，这种光如果光矢量端点轨迹是一个圆，这种光叫做圆偏振光。叫做圆偏振光。左旋左旋 2 2-1 1= = - -/2 2xyxy右旋右旋 2- 1= /2515.2 偏振片偏振片 马吕斯定律马吕斯定律一一.偏振片的起偏和检偏偏振片的起偏和检偏 偏振化方向：偏振化方向：允许通过的光振动方向。常用箭允许通过的光振动方向。常用箭头头“ ”表示。表示。偏振片偏振片自然光自然光Io线偏振光线偏振光 偏振片的构造偏振片的构造:利用某些介质的光学不对称性，利用某些介质的光学不对称性，制成的光学器件。制成的光学器件。 偏振片的特性偏振片的特性: 能吸收某一方向的光振动能吸收某一方向的光振动而仅让而仅让
5、与此方向垂直的光振动通过。与此方向垂直的光振动通过。 偏振片的偏振片的 起偏：起偏：6I=(Eocos )2 = Iocos2 EoIo= Eo2Eocos I=Iocos2 式中：式中： 是入射线偏振光的光振动方向和偏振片偏是入射线偏振光的光振动方向和偏振片偏振化方向之间的夹角。振化方向之间的夹角。 证明：证明：二二.马吕斯定律马吕斯定律 强度为强度为Io的线偏振光，透过检偏片后的的线偏振光，透过检偏片后的光强光强(不考虑吸收不考虑吸收)为为7偏振片的检偏：偏振片的检偏： 光强无变化的是自然光光强无变化的是自然光; 若以光传播方向为轴若以光传播方向为轴,慢慢旋转检偏片慢慢旋转检偏片,观观察察
6、 透过偏振片的光透过偏振片的光, 光强有变化光强有变化,但最小值不为零的是部分偏振光但最小值不为零的是部分偏振光;光强有变化光强有变化,且最小值为零且最小值为零(消光消光)的是线偏振光。的是线偏振光。8三三. .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
7、晃眼可以避免汽车会车时灯光的晃眼。地面成地面成4545 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，9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10解解 由由解得：解得： =45(or 135 )。 自然光自然光Io 例题例题15.2.1 自然光连续通过两个偏振片自然光连续通过两个偏振片后，透射光强为入射光强的四分之一，求两后，透射光强为入射光强的四分之一，求两个偏振片偏振化方向之间的夹角个偏振片偏振化方向之间的夹角 。11 解解 透射光强透射光强: p2 p1 EA 例题例题15.2.2 两个偏振片的偏
8、振化方向分两个偏振片的偏振化方向分 别为别为p1和和p2，夹角为，夹角为 。入射线偏振光的光入射线偏振光的光 矢量方向矢量方向E与与p2的夹角的夹角A(锐角锐角)保持不变。保持不变。现转动现转动p1，但保持但保持p1在在E和和 p2之间。求之间。求 等于何值等于何值时出射时出射光强为极值。光强为极值。12因因A为锐角为锐角, 且且 A, 显然显然 | A -2 | A所以所以 p2 p1 EA 极值条件极值条件:由由得得显然此时显然此时I有极大值有极大值:13 解解 设入射光中自然光的光强为设入射光中自然光的光强为I1，线偏振光的光线偏振光的光强为强为I2，则透射光强则透射光强即入射光中自然光
9、和线偏振光的光强之比为即入射光中自然光和线偏振光的光强之比为1:2。 例题例题15.2.3 一束光是自然光和线偏振光的一束光是自然光和线偏振光的混合。通过一偏振片后，测得最大透射光强是混合。通过一偏振片后，测得最大透射光强是最小透射光强的最小透射光强的5倍，求入射光中自然光和线倍，求入射光中自然光和线偏振光的光强之比。偏振光的光强之比。14 一般情况下一般情况下,反射光和折射光都是部分偏振光：反射光和折射光都是部分偏振光： 在反射光中在反射光中, 垂直垂直振动振动多于平行多于平行振动振动; 在折射光中在折射光中, 平行平行振动振动多于垂直多于垂直振动。振动。这里所说的这里所说的“垂直垂直”和和
10、“平行平行”是对是对 入射面而言的。入射面而言的。n1n2一一.由反射和折射获得偏振光由反射和折射获得偏振光i15.3 反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振 上下均为各上下均为各向同性介质向同性介质15 实验证明实验证明, 此时入射角此时入射角io和折射角和折射角r之和恰为之和恰为90 (反射光线反射光线 折折射光线射光线)，即，即 io+r=90 二二.布儒斯特定律布儒斯特定律n1n2rio 1812年年，布布儒儒斯斯特特由由实实验验证证明明：当当入入射射角角是是某某一一个个特特定定角角io时时, 反反射射光光成成为为只只有有垂垂直直振振动动的的线线偏偏振光振光。 角角io称称为为布布儒
11、儒斯斯特特角角(或起偏角或起偏角)。16所以：所以：n1n2rioio+r=90 布儒斯特定律布儒斯特定律17 布儒斯特角不同于全反射的临界角。布儒斯特角不同于全反射的临界角。 而全反射而全反射:入射角入射角i i临临都是全反射。由于都是全反射。由于故只有故只有n1n2才会发生全反射。才会发生全反射。n1n2rio 当且仅当当且仅当 时，反射光才是线偏振光。时，反射光才是线偏振光。且且n1n2或或n1 e , none 负晶体（如方解石），负晶体（如方解石）， one。29 ee1.1.光轴平行晶体表面，自然光垂直入射光轴平行晶体表面，自然光垂直入射光轴光轴晶晶体体o o、 e e方向上虽没分
12、开，方向上虽没分开，oo但速度上是分开的，但速度上是分开的，这仍是双折射。这仍是双折射。 由于光速不同，相位延迟也不一样，可以由于光速不同，相位延迟也不一样，可以利用这个原理制造某些光学器件，如可转换利用这个原理制造某些光学器件，如可转换线偏振和圆偏振的四分之一波片（参见后一线偏振和圆偏振的四分之一波片（参见后一节内容）节内容）30o e2.2.光轴平行晶体表面，且垂直入射面，光轴平行晶体表面，且垂直入射面，晶体晶体 光轴光轴reivotve eto ect自然光斜入射自然光斜入射在这种特殊的情况下，对在这种特殊的情况下，对e 光也可以用光也可以用折射定律。折射定律。r0313.3.光轴与晶体
13、表面斜交，自然光垂直入射光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射 e方解石方解石光光轴轴o此时此时e光的波面不再与其波射线垂直了。光的波面不再与其波射线垂直了。ooee晶体晶体光光轴轴注意：注意：32eooe 解解 (1)如图所示。如图所示。 (2) nosin45o=nesinre nesin45o=nosinro解得：解得： re=52o , ro=39o于是于是 =52o-39o=13o 45o 例题例题15.4.1渥拉斯顿棱镜的截面由二块渥拉斯顿棱镜的截面由二块 锐角均为锐角均为45o的的直角方解石棱镜构成。棱镜直角方解石棱镜构成。棱镜 ABC的光轴平行于的光轴平行于AB，而棱镜而棱镜ADC
14、的光轴的光轴垂直于图截面。垂直于图截面。(方解石方解石: no=1.658,ne=1.486)。当当自然光垂直自然光垂直AB入射时，问：入射时，问： (1)图中哪一条是图中哪一条是o光光, 哪一条是哪一条是e光光? (2) =？ ABCD 33 五五.尼科耳棱镜尼科耳棱镜ACfg102 78 no =1.658n加加=1.55ne =1.486ACMN方解石方解石方解石方解石加拿大树胶加拿大树胶e光光(振动方向平行于主截面振动方向平行于主截面)尼科耳棱镜的主截面尼科耳棱镜的主截面77 90 22 48 68 光轴光轴s22 AMNC用途用途: 起偏、检偏起偏、检偏*15.5 偏振光的干涉和应用偏振光的干涉和应用 (自学自学)34
