大学普通物理课件第24章-光的偏振.ppt

第24（10）章 光 的 偏 振,Polarization of Light,本章主要内容,24-1 光的偏振状态 24-2 线偏振光的获得与检验 24-3 反射和折射时光的偏振 *24-4 由散射引起的光的偏振 24-5 双折射现象 *24-6 椭圆偏振光和圆偏振光 *24-7 偏振光的干涉 *24-8 人工双折射 *24-9 旋光现象,第二十四章 光的偏振,所谓偏振是指：光矢量总是与光的传播方向垂直的特性。 事实上就是电磁波的横波性,光矢量总是处于振动态 振动方向,光实质上是电磁波，电磁波都是横波。通常把光波中的电场强度 称为光矢量。,对确定的传播方向，光矢量可能的方向并不唯一。,24-1 光的偏振状态,Polarization States of Light,偏振态光矢量的振动状态。（振动方向及其角分布）, 非偏振光自然光 non-polarized /natural light,在垂直于传播方向的平面上，沿各方向振动光矢量都有，分布均匀，具有轴对称性，而且振幅相等、没有固定的相位关系。,各原子发出的波列是随机的(振动方向、初相、频率)， 由于我们的观察时间一般比原子每次的发光时间（10-8）长得多。因此在观测时间内，实际接收到的是大量的波列，各方向都有，呈轴对称性。,普通光源发出的光都是非偏振光。,所有光矢量的强度在任意两个垂直的方向上的分量之和相等。即，自然光可用两个垂直的振幅相等 的光振动（无相位关系）来表示。, 完全偏振光, 线偏振光 linearly polarized light,在垂直于传播方向的平面上，光矢量 E 只沿一个固定的方向振动,这种光叫线偏振光., 椭圆偏振光和圆偏振光,实际为相差为 /2 两垂直方向线偏振光的合成,椭圆偏振光: 光矢量 E 在沿着光的 传播方向前进的同时,还绕着传播方 向均匀转动.如果光矢量的大小不断 改变(不变), 使其端点描绘出一个 椭圆(圆)., 部分偏振光 partial polarized light,自然光经反射或折射后得到的光多为部分偏振光。见24-3,部分偏振光可视为自然光与线偏振光的叠加。,24-2 线偏振光的获得与检验,Obtainment and Testing of a Linearly Polarized Light,1. 线偏振光的获得与检验, 线偏振光的获得,自然光通过偏振片可以获得线偏振光。,偏振片用于获得线偏振光时称为起偏器。,二向色性的有机晶体，如硫酸碘奎宁、电气石或聚乙烯醇薄膜在碘溶液中浸泡后，在高温下拉伸、烘干，然后粘在两个玻璃片之间就形成了偏振片。,自然光I0,线偏振光I=I0/2,自然光I0,线偏振光 I=I0/2,线偏振光 I I, 偏振片能够吸收一个方向的光矢量而让另一个与其垂直 的光矢量通过，从而获得线偏振光的器件。,偏振片用于检验偏振状态时称为检偏器。, 线偏振光的检验,转动用于检验的偏振片观察透射光。当其偏振化方向与入射的线偏振光振动方向垂直时，透射光强为零，即出现消光现象。如果有消光，则表明入射光为线偏振光；否则，不是线偏振光。,如果入射检偏器的光是自然光或者部分偏振光，转动检偏器一周，透射光又如何？,P2 旋转一周,光强出现两次最强,两次消光.,2. 马吕斯定律,入射的线偏振光振动方向与检偏器 P2 的通光方向成任意角 时，出射光的强度为多大？,设入射线偏振光(I0)光矢量的振幅为 A0，通过 P2 的光矢量振幅为 A。因检偏器只允许P2 方向的光矢量振动分量通过，故有,例 光强为 I0 的自然光通过通光方向相互垂直的两块偏振片。现将第三块偏振片插入此两偏振片之间，并令其通光方向与第一块偏振片的通光方向成 角，求透过第二块偏振片P2的光强。,解：透过第一块偏振片的光强为,透过第三块偏振片的光强为,透过第二块偏振片的光强为,自然光可以用两个相互垂直的振幅相等的光振动(线偏振光)来表示.,24-3 反射和折射时光的偏振,Polarization of Light in Reflection and Refraction,实验表明：当自然光在两种各向同性的介质分界面上反射和折射时，反射光和折射光的偏振态将发生变化：,一般情况下，反射光和折射光都是部分偏振光。（湖光）,1812年实验中得到，称为Brewster定律。,的等价条件为：,反射光线垂直于折射光线，即 。,光的电磁理论建立后，Brewster 定律可以从该理论推 导出来：设垂直于入射面的光矢量称为 s 光；平行于入射面的光矢量称为 p 光。理论上导出 s 光和 p 光的能量反射率分别为,当 时， ，即反射光的 p 光强度为零，反射光只有 s 光，为线偏振光。折射光中也包含 s 光（因 Rs 1），故折射光为部分偏振光。, 由一块玻璃片得到的线偏振光是很微弱的，为了获得足够强的线偏振光，应用玻璃片堆。,玻璃片堆, 反射光和折射光的偏振性的应用：, 海面上的强烈反射光是部分偏振光（垂直入射面的振动较强）或者线偏振光（振动方向垂直于入射面），这使得照相机所拍摄的景物不清楚，在镜头上加一个偏光镜（偏振片）来消除它。,（C） 用偏光镜消除反射偏振光，使玻璃门内的人物清晰可见,（A） 玻璃门表面的反光很强,（B） 用偏光镜减弱反射偏振光,例1：一束自然光从空气射向一块平板玻璃，设入射角等于布儒斯特角，则在界面2的反射光为（ ）,A)自然光 B) 线偏振光且光矢量的振动方向垂直于入射面 C)线偏振光且光矢量的振动方向平行于入射面 D) 部分偏振光,24-5 双折射现象,Birefringence Phenomena,双折射的两条光线： 一条服从折射定律，称为寻常光或o光； 另一条不服从，称为非常光或e光。, 双折射现象 寻常光与非常光,ordinary light, extraordinary light,一般透明介质（晶体或非晶体）中的光速是各向同性的，光在这类介质的分界面上发生的折射服从折射定律：,然而，有许多晶体（如方解石、石英、云母、电气石、冰等）中的光速具各向异性。当自然光从空气入射到这类晶体的表面时，会产生两条折射光线。 这种现象称为双折射现象。,查看,令方解石晶体绕光的入射方向旋转,返回,寻常光：在晶体中各个方向都具有相同的折射率 （亦即沿各个方向的传播速度相同）， 且在入射面内传播。,非常光：在晶体中各个方向的折射率 不同（亦即波速不 同），并且不一 定在入射面内传播。,以方解石（CaCO3）为例：, 双折射晶体的各向异性特征,注：光轴代表的是某个方向，不是某一条直线。,vo o光的光速。（各向同性）,ve e光在垂直于光轴方向上的光速。 （极大值或极小值）,在各向异性的介质中，寻常光沿各方向的传播速度相同，而非常光沿各方向的速度不同。,假想在晶体内有一子波波源O,从子波波源发出两组子波。 o光的波阵面是球面， e光的是旋转椭球面。, 正晶体与负晶体,o光的折射率为 ；,与ve相对应的 e光的折射率为 。 称为主折射率。, 寻常光和非常光的偏振态,主平面晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。,主平面 入射面,光轴与 o 光的传播方向构成的平面叫 o 光主平面。,光轴与 e 光的传播方向构成的平面叫 e 光主平面。,e光,光轴,e 光的 主平面,o光,光轴,o 光的 主平面,光轴在入射面时,o 光主平面和e 光主平面重合,此时o 光振动和e 光振动相互垂直。一般情况下，两个主平面夹角很小，故可认为o 光振动和e 光振动仍然相互垂直。,(o光振动垂直o 光主平面),(e 光振动在e 光主平面内),利用Huygens作图法