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1、9 光的横波性与五种偏振光的横波性与五种偏振态态1光的偏振景象光的偏振景象1 光的偏振的含光的偏振的含义义光波振光波振动方向的不全面和振幅方向的不全面和振幅不均等的景象称不均等的景象称为光的偏振景象光的偏振景象第二章第二章 动摇光学根本原理光学根本原理2 偏振片偏振片1晶体的二向色性选择吸收性2偏振片及其透振方向和消光方向偏振片及其透振方向和消光方向3偏振片的制造偏振片的制造4偏振片的起偏和偏振片的起偏和检偏性能偏性能2光的横波性光的横波性1 机械波的横波性的机械波的横波性的检验检验2 光波的横波性的光波的横波性的检验检验3光的五种偏振光的五种偏振态态1 光是横波，才有不同的偏振形状光是横波，
2、才有不同的偏振形状2 光波的五种偏振光波的五种偏振态态：线偏振光、自然光、部分偏振光、偏振光、自然光、部分偏振光、圆偏振光和偏振光和椭圆偏振光。偏振光。4线线偏振光偏振光1)线线偏振光的定偏振光的定义义：在垂直光在垂直光传播方向的平面上，只需播方向的平面上，只需单一一方向的振方向的振动矢量，随着矢量，随着时间的推移，振的推移，振动矢量只改矢量只改动大小、不改大小、不改动方向。方向。线偏振光：光矢量偏振光：光矢量 E 只沿一个固定方向振只沿一个固定方向振动。2)振振动动面与平面偏振光面与平面偏振光振振动面：面：线偏振光的偏振光的传播方向与播方向与振振动方向构成的平面。方向构成的平面。同一波同一波
3、线上的上的线偏振光的光振偏振光的光振动均均处于同一于同一振振动面上，又称面上，又称线偏振光偏振光为平面偏振光。平面偏振光。线偏振光是偏振程度最偏振光是偏振程度最强的光，又称的光，又称线偏振偏振光光为全偏振光。全偏振光。 3 线线偏振光偏振光经过经过偏振片后的光偏振片后的光强强度度假设入射的线偏振光强为：假设入射的线偏振光强为： 旋旋转偏振片偏振片P一周，一周，出射光出射光强的的变化化为： 线偏振光线偏振光存在一个消光方向存在一个消光方向, 在垂直在垂直 P 的透振方向上的透振方向上4 马吕马吕斯定律斯定律称上式称上式为马吕斯定律斯定律留意：留意： 1只适用于只适用于线偏振光偏振光2马吕斯定律公
4、式上的斯定律公式上的 三角函数三角函数项是平方是平方项。由于：由于：就有：就有：5 起偏器和起偏器和检检偏器偏器起偏器：任何偏振起偏器：任何偏振态的光的光经过后透射后透射 光都光都变为线偏振光的器件。偏振光的器件。检偏器：偏器：检查入射光偏振入射光偏振态的器件的器件 线偏振射光偏振射光经过此器件后光此器件后光 强变为零。零。偏振片既是起偏器，又是偏振片既是起偏器，又是检偏器。偏器。 自然光自然光经过偏振片后，光偏振片后，光强为原来的二分之一。原来的二分之一。 旋旋转起偏器，屏幕上光起偏器，屏幕上光强不不变。 检偏器旋偏器旋转一周，透射光光一周，透射光光强出出现两次最两次最强，两，两次消光，次消
5、光，阐明入射到明入射到 P2 上的光是上的光是线偏振光。偏振光。P2P16 一束一束线线偏振光可以分解偏振光可以分解为为两束两束 相互垂直的相互垂直的线线偏振光偏振光假假设将将 带入参量方程消去参量入参量方程消去参量t， 就有：就有： ，这正是直正是直线方程方程结论：1线偏振光可以分解偏振光可以分解为两个相互垂直两个相互垂直 的相位差的相位差为 0 或或 的的线偏振光，偏振光，2可以由可以由这两束两束线偏振光替代偏振光替代这束束线偏振光。偏振光。5自然光自然光1 自然光的定自然光的定义义：在垂直光在垂直光传播方向的平面上，播方向的平面上，一切方向均有横振一切方向均有横振动， 各个方向的振各个方
6、向的振动幅度均相等，幅度均相等，构成如下构成如下图的的轴对称振幅分布。称振幅分布。自然光：自然光：由于原子由于原子发光的独立性与随机光的独立性与随机性，性，对于普通光源所于普通光源所发的光，的光，光矢量分布各向均匀。光矢量分布各向均匀。各光矢量之各光矢量之间无固定无固定的相位关系。的相位关系。可用两个相互垂直的可用两个相互垂直的光矢量表示自然光，光矢量表示自然光，但两者之但两者之间也无固定也无固定的相位关系。的相位关系。2 自然光自然光经过经过偏振片后的光偏振片后的光强强度度假设入射的自然光强为：假设入射的自然光强为： 自然光自然光旋旋转偏振片偏振片P一周，出射光一周，出射光强均均为： 非相关
7、迭加非相关迭加3 试证试证明自然光明自然光经过经过偏振片后偏振片后 出射光出射光强强为为入射光入射光强强的一半。的一半。自然光由无数条非相关的自然光由无数条非相关的线偏振光偏振光组成成数密度：数密度： 单位位夹角内包角内包含的含的 线偏振光的条数偏振光的条数 角内包含的角内包含的线偏振偏振光的条数：光的条数： 角内包含的角内包含的线偏振光的偏振光的总强度：度： 入射的自然光的入射的自然光的总光光强： 设偏振片的透振方向与偏振片的透振方向与 角内角内线偏振光偏振光的的夹角角为： 根据马吕斯定律：根据马吕斯定律：角内的角内的线偏振光偏振光经过偏振片后的光偏振片后的光强为： 透透过偏振片后自然光的光
8、偏振片后自然光的光强变为： 因此有：因此有： 留意：曾经将公式中的留意：曾经将公式中的 改写为改写为 6部分偏振光部分偏振光1 部分偏振光的定部分偏振光的定义义：在垂直光在垂直光传播方向的平面上，播方向的平面上，一切方向均有横振一切方向均有横振动，但不同，但不同方向的振方向的振动幅度不相等，构成幅度不相等，构成如如图的振幅分布。的振幅分布。部分偏振光部分偏振光:介于介于线偏振光与自然光之偏振光与自然光之间的情形，的情形，可看成可看成线偏振光与自然光的混合。偏振光与自然光的混合。假设入射的部分偏振光强为假设入射的部分偏振光强为 旋旋转偏振片偏振片P一周，出射光一周，出射光强的的变化化为： 与与
9、的振动方向相互垂直的振动方向相互垂直，没有消光景象出现，没有消光景象出现部分偏振光部分偏振光2 部分偏振光部分偏振光经过经过偏振片后的光偏振片后的光强强度度 3 部分偏振光的部分偏振光的总总光光强强 4 偏振度：偏振度： 时， ，为自然光自然光 时， ，是，是线偏振光偏振光 留意：留意： 与与 是一切线偏振光在这两个相互是一切线偏振光在这两个相互 垂直方向上的投影分量的非相关叠加。垂直方向上的投影分量的非相关叠加。 P1例例题1 自然光自然光经过两个偏振化方向的两个偏振化方向的夹角角为 60的的偏振片后，透射光偏振片后，透射光强为 I . 假假设在两偏振片在两偏振片间再插再插入另一偏振片，它与
10、前两者的偏振化方向的入另一偏振片，它与前两者的偏振化方向的夹角均角均为 30，那么此，那么此时透射光光透射光光强为多少？多少？IP解解I0I1P1IPI0P2I1I2例例题2 一束光由自然光和一束光由自然光和线偏振光混合偏振光混合组成，当它成，当它经过一一转动的偏振片的偏振片时，透射光光，透射光光强的最大的最大值是最小是最小值的的 5 倍。求入射光中自然光和倍。求入射光中自然光和线偏振光的光偏振光的光强各占各占入射光光入射光光强的几分之几？的几分之几？解解设入射光光入射光光强为 I0 ，其中自然光光，其中自然光光强为 I10 ，线偏振光偏振光强度度为 I20设经过偏振片后的光偏振片后的光强分分
11、别为 I ，I1 ，I2为什么？什么？例例题3: P309例例5.17圆圆偏振光偏振光1 圆圆偏振光的定偏振光的定义义：在垂直光在垂直光传播方向的平面上，播方向的平面上，只需只需单一的振一的振动矢量，矢量，振振动矢量的大小不矢量的大小不变，振振动方向匀速方向匀速转动，振振动矢量的端点描画成一个矢量的端点描画成一个圆形形轨迹。迹。2 圆圆偏振光偏振光经过经过偏振片后的光偏振片后的光强强度度假设入射光强为：假设入射光强为： 圆偏振光圆偏振光旋旋转偏振片偏振片P一周，一周， 出射光出射光强不不变化化 3 圆圆偏振光可以分解成两束相互偏振光可以分解成两束相互 垂直的垂直的线线偏振光偏振光A假设将假设将
12、 带入方程，消去参量带入方程，消去参量t 就有：就有： ，正是圆方程。，正是圆方程。结论：1圆偏振光可以分解偏振光可以分解为两个相互垂直两个相互垂直 的振幅相等、相位差的振幅相等、相位差为 的的线偏振光。偏振光。2可以由可以由这两束两束线偏振光来替代偏振光来替代 这束束圆偏振光。偏振光。4 圆圆偏振光的偏振光的总总光光强强： 5 左旋左旋圆圆偏振光与右旋偏振光与右旋圆圆偏振光偏振光1定义：定义： 迎着光线传播方向观看，迎着光线传播方向观看，假设振动矢量假设振动矢量 顺时针旋转就称为顺时针旋转就称为右旋圆偏振光，此时：右旋圆偏振光，此时： 假设振动矢量假设振动矢量 逆时针旋转就称为逆时针旋转就称
13、为左旋圆偏振光，此时：左旋圆偏振光，此时： 2证明：假设圆偏振光的证明：假设圆偏振光的 ， 那么振动矢量那么振动矢量 逆时针旋转。逆时针旋转。证明：明： 知：知： 如下图，由如下图，由 到到 旋旋转走向走向为逆逆时针方向。方向。8椭圆椭圆偏振光偏振光1 椭圆椭圆偏振光定偏振光定义义：在垂直光在垂直光传播方向的平播方向的平面上，只需面上，只需单一的振一的振动矢量，振矢量，振动矢量的大小矢量的大小和方向不断地改和方向不断地改动，振振动矢量的端点描画成矢量的端点描画成一个一个椭圆形形轨迹。迹。 2 椭圆椭圆偏振光偏振光经过经过偏振片后的光偏振片后的光强强度度椭圆振光椭圆振光假设入射的部分偏振光强为假
14、设入射的部分偏振光强为 旋旋转偏振片偏振片P一周，出射光一周，出射光强的的变化化为： 与与 的振动方向垂直。的振动方向垂直。 ,没有消光景象出现没有消光景象出现3 椭圆椭圆偏振光可以分解成两束相互偏振光可以分解成两束相互 垂直的垂直的线线偏振光偏振光当当 时， A假假设消去参量方程中的消去参量方程中的t 有：有： 这正是正是椭圆方程式方程式 结论：1椭圆偏振光可以分解偏振光可以分解为两个相互两个相互 垂直的振幅不相等的相位差固定、垂直的振幅不相等的相位差固定、 但不等于但不等于 或或 0的的线偏振光。偏振光。2可以由可以由这两束两束线偏振光来替代偏振光来替代这 束束椭圆偏振光。偏振光。4 椭圆
15、椭圆偏振光的偏振光的总总光光强强： 5 左旋与右旋左旋与右旋椭圆椭圆偏振光偏振光定定义：迎着光迎着光线传播的方向播的方向观看，看，假假设振振动矢量矢量 顺时针旋旋转就称就称为右旋右旋椭圆偏振光，偏振光，假假设振振动矢量矢量 逆逆时针旋旋转就称就称为左旋左旋椭圆偏振光。偏振光。 6 各种相位差各种相位差对应对应的的椭圆椭圆偏振偏振态图态图1当坐当坐标系系为如下如下图时2参量方程参量方程为：3就有如下的各种相位差就有如下的各种相位差对应的的椭圆偏振偏振态图4假假设参量方程用复振幅表示，那么参量方程用复振幅表示，那么为：， 。，7 自然光可以分解成两束自然光可以分解成两束线线偏振光偏振光两束两束线偏
16、振光的关系是：偏振光的关系是：1分解的方向可以恣意，但两束分解的方向可以恣意，但两束线偏振光偏振光 的方向必需相互垂直的方向必需相互垂直 2两束线偏振光的光强相等，均为 3两束两束线偏振光的相位差随偏振光的相位差随时间变化，化， 不不稳定。定。4可以用分解成的两束可以用分解成的两束线偏振光替代偏振光替代 这束自然光束自然光8 为为什么自然光只能由相位差不什么自然光只能由相位差不 稳稳定的两束定的两束线线偏振光替代。偏振光替代。假假设两束两束线偏振光之偏振光之间有有稳定的相位差，定的相位差，就能合成就能合成线偏振光、偏振光、圆偏振光或偏振光或椭圆偏偏振光，不是自然光了。振光，不是自然光了。9 部分偏振光可以分解成两束部分偏振光可以分解成两束线线偏振光偏振光两束两束线偏振光的关系是：偏振光的关系是：1分解的方向可以恣意，但两分解的方向可以恣意，但两线偏振偏振 光的方向必需相互垂直光的方向必需相互垂直2两束线偏振光的光强分别为 与3两束两束线偏振光的相位差随偏振光的相位差随时间变化，化， 不不稳定。定。4可以用分解成的可以用分解成的这两束两束线偏振光替代偏振光替代 这束部分偏振光束部分偏振光
