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大学物理学电子教案 信息学院教学课件 第八章 波动光学 一、光学的研究内容 研究光的本性； 光的产生、传输与接收规律； 光与物质的相互作用； 光学的应用。 绪言 二、光的两种学说 牛顿的微粒说 光是由发光物体发出的遵循力学规律 的粒子流。 惠更斯的波动说 光是机械波，在弹性介质“以太 ”中传播。 四、光学的分类 几何光学 以光的直线传播和反射、折射定律为基础，研究光学仪 器成象规律。 物理光学 以光的波动性和粒子性为基础，研究光现象基本规律。 波动光学光的波动性：研究光的传输规律及其应用的 学科 量子光学光的粒子性：研究光与物质相互作用规律及 其应用的学科 三、光的本性 光的电磁理论波动性： 干涉、衍射、偏振 光的量子理论粒子性： 黑体辐射、光电效应、康普顿效应 本章学习内容： 波动光学：光的干涉、衍射、偏振 光的干涉和衍射现象表明了光的波动性， 而光的偏振现象则显示了光是横波。光波作为 一种电磁波也包含两种矢量的振动，即电矢量E 和磁矢量H，引起感光作用和生理作用的是其 中的电矢量E，所以通常把E矢量称为光矢量， 把E振动称为光振动。 一、光波 1光波的概念： 81 光波及其相干条件 2光的颜色： 单色光只含单一波长的光：激光 复色光不同波长单色光的混合：白 光 红外光：0.76m 可见光：0.40m与0.76m之 间 紫外光：n2n3 无无 没有 情况3： n1n3 有无 有 情况4： n1n2n2n3 无 n1n3 有 n1n2n3 有 一、薄膜干涉 薄膜干涉属于分振幅法 1、等倾干涉： 实验装置 在空气（或真空）中放入上 下表面平行，厚度为 e 的均 匀介质 n 光a与光 b的光程差为： 光a有半波损失。 n C A B e D b a r i 8-3 分振幅干涉 由折射定律和几何关系可得出： 代入 得出： 结论：相同的 入射角对应同一 级条纹。因此， 称它为薄膜等倾 干涉。 光a与光b相遇在 无穷远，或者在 透镜的焦平面上 观察它们的相干 结果，所以称它 为定域干涉。 n C A B e D b a r i 应用： 测定薄膜的厚度； 测定光的波长； 例83如图所示，在折射率为1.50的 平板玻璃表面有一层厚度为300nm，折 射率为1.22的均匀透明油膜，用白光垂 直射向油膜，问： 1)哪些波长的可见光在反射光中产生 相长干涉? 2)若要使反射光中=550nm的光产生相 消干涉，油膜的最小厚度为多少? 解：(1)因反射光之间没有半波损失， 由垂直入射i=0，得反射光相长干涉的 条件为 k=1时 红光 k=2时 故反射中红光产 生相长干涉。 紫外 (2)由反射相消干涉条件为： 显然k=0所产生对应的厚度最小，即 干涉条纹定域 在膜附近。条 纹形状由膜的 等厚点轨迹所 决定。 2、等厚干涉 劈尖干涉的实验装置 明纹中心 暗纹中心 干涉条件 空气劈尖相邻明条纹对应的厚度差： 若劈尖间夹有折射率为 n 的介质，则： 劈尖相邻级次条纹对应的薄膜厚度差为膜内光波长的一半。 特点 劈尖干涉是等厚干涉 劈尖的等厚干涉条纹是一系列等间距、明暗 相间的平行于棱边的直条纹。 薄膜厚度的测量 应用 薄膜厚度的测定 测定光学元件表面的平整度 劈尖表面附近形成的是一系列与棱边平行 的、明暗相间等距的直条纹。 楔角愈小，干涉条纹分布就愈稀疏。 当用白光照射时，将看到由劈尖边缘逐渐 分开的彩色直条纹。 劈尖相邻级次条纹对应的薄膜厚度差为膜内光波长的一半。 明纹中心 暗纹中心 结论 例84、用等厚干涉法测细丝的直径d。取两块表面平 整的玻璃板，左边棱迭合在一起，将待测细丝塞到右棱边 间隙处，形成一空气劈尖。用波长的单色光垂直照射，得 等厚干涉条纹，测得相邻明纹间距为l，玻璃板长L，求细 丝的直径。 解： d 例8-5、 工件质量检测 a b 有一劈尖，光的0.55m，明纹间 距a2.34mm，但某处干涉条纹弯 曲，最大畸变量b=1.86mm，问：该 处工件表面有什么样的缺陷，其深 度（或高度）如何？ 解：同一条干涉条纹的各点下面的 薄膜厚度相等，现在干涉条纹向劈 尖的棱边方向弯曲，因此判断工件 在该处有凹下的缺陷。 得：h0.219 m 3、牛顿环 用平凸透镜凸球面所反射 的光和平镜上表面所反射 的光发生干涉，不同厚度 的等厚点的轨迹是以O为 圆心的一组同心圆。 明环中心 暗环中心 实验装置 2、干涉公式 O点的e=0,光程差为/2,应为应为 暗条纹纹。 在实际观察中常测牛顿环的半径r 它与e和凸球面的半径R的关系： 略去二阶小量e2得： 代入明暗环公式得： 明环中心 暗环中心 讨论: (1)牛顿环中心为暗环，级次最低。 (2)离开中心愈远，光程差愈大，圆 条纹间距愈小，愈密。 (3)用白光时将产生彩色条纹。 牛顿环半径 应用： 测量光的波长； 测量平凸透镜的曲率半径 ； 检查透镜的质量。 o R曲率半径 r e 例86：用He-Ne激光器发出的=0.633m的单色光，在牛顿 环实验时，测得第k个暗环半径为5.63mm，第k+5个暗环半径 为7.96mm，求平凸透镜的曲率半径R。 解：由暗纹公式，可知 1、迈克耳孙干涉仪的结构及原理 G1和G2是两块材 料相同厚薄均匀 、几何形状完全 相同的光学平镜 。 G1一侧镀有半透半反的薄 银层。与水平方向成45o角 放置；G2称为补偿板。 在G1镀银 层上M1的 虚象M1 2、迈克耳孙干涉仪的干涉条纹 一束光在A处分振幅形成的两束光1和2的光程差，就相当于 由M1和M2形成的空气膜上下两个面反射光的光程差。 二、迈克耳孙干涉仪 光源 f G1G2 M1 M2 1 2 1 2 f G1G2 M1 M 2 光源 1 2 1 2 M1与M2严格垂直薄膜干涉 1，2两束光的光程差 等倾干涉，干涉条纹为明 暗相间的同心圆环。 = 明条纹 暗条纹 干涉圆环中心，i=0 k自内向外依次递减 e增大时有条纹冒出 当e每减少/2时，中央条纹对应的k 值就要减少1，原来位于中央的条纹 消失，将看到同心等倾圆条纹向中心 缩陷。 当M1 、M2 不平行时，将看到劈尖等厚干涉条纹。 当M1每平移/2 时，将看到一个明（或暗）条纹移 过视场中某一固定直线，条纹移动的数目m 与M1 镜 平移的距离关系为： 记下平移的距离,可测量入射光的波长; 如已知波长,则可通过条纹移动数目来测量微小伸长量( 如热胀冷缩量). 小 结 光程 薄膜干涉 劈尖 牛顿环 迈克耳孙干涉仪 8-4 光的衍射 一、光的衍射现象 2.衍射现象： 波在传播过程中遇到障 碍物，能够绕过障碍物 的边缘前进这种偏离直 线传播的现象称为衍射 现象。 1.实验现象： 单缝Ka b S 光源 (a) 屏 幕 E 屏 幕 E 单缝K a S 光源 (b) b 二、 惠更斯-菲涅耳原理 1690年惠更斯提出惠更斯 原理，认为波前上的每一点 都可以看作是发出球面子波 的新的波源，这些子波的包 络面就是下一时刻的波前。 1818年，菲涅耳运用子波可以相干叠加的思 想对惠更斯原理作了补充。他认为从同一波 面上各点发出的子波，在传播到空间某一点 时，各个子波之间也可以相互叠加而产生干 涉现象。这就是惠更斯菲涅耳原理。 1.惠更斯-菲涅耳原理 S p r n 说明 菲涅耳积分可以计算任意 形状波的阵面衍射问题。 采用半波带法来定性地解 释衍射现象。 *2.惠更斯-菲涅耳原理的数学表达式 菲涅耳衍射积分公式： 对于点光源发出的球面波，初相位可取为零，且倾斜因子 它说明子波为什么不会向后退。 S p r n 光源 障碍物 接收屏 光源 障碍物 接收屏 三、衍射的分类 1.菲涅耳衍射 2.夫琅禾费衍射 光源障碍物接收屏距 离为有限远。 光源障碍物接收屏 距离为无限远。 障碍物 接收屏 衍射系统一般由光源、 衍射屏和接收屏组成的。 按它们相互距离的关系， 通常把光的衍射分为两 大类 8-5 单缝和圆孔的夫琅禾费衍射 光源在透镜L1的物方焦平面 接收屏在L2象方焦平面 光强 一、单缝夫琅禾费衍射实验装置 1.实验装置 2.实验现象 明暗相间的平行于单缝衍射条纹； 中央明纹明亮且较宽； 两侧对称分布着其它明纹。 二、菲涅耳半波带法解释单缝衍射 1.菲涅耳半波带 单缝 P B A 半波带的作法： A B a A,B两条平行光线之间的光程差 BC=asin. asin C 作平行于AC的平面,使相 邻平面 之间的距离等于入射光的半波长. （相位差） 如图把AB波阵面分成AA1，A1A2， A2B波带. A1 A2 两相邻波带对应点AA1中A1和 A1A2中A2，到达P点位相差为， 光程差为/2。这样的波带就 是菲涅耳半波带。 所以任何两个相邻波带所发出的光线在 P点相互抵消. 当BC是/2的偶数倍，所有波带成对抵消，P点暗， 当BC是/2的奇数倍，所有波带成对抵消后留下一个波带，P点明。 2.特点：将波面分成整数个波带，各波带面积 相等，相邻波带的相位差为 ，则： 暗纹中心 明纹中心 暗纹中心 明纹中心 3.明暗条纹条件 条纹在接收屏上的位置 暗纹中心 明纹中心 单缝 屏幕上中央明条纹的 线宽度为：(焦距 f ) 由条纹宽度看出缝越窄（ a 越小），条纹分散的越开，衍射现 象越明显；反之，条纹向中央靠拢。当缝宽比波长大很多时， 形成单一的明条纹，这就是透镜所形成线光源的象。显示了光 的直线传播的性质。 中央明条纹的半角宽为： 其它各级明条纹的宽度为 中央明条纹宽度的一半。 (1)条纹宽度 4.讨论 单缝 即第一条暗条纹对应的衍 射角为：0/a 条纹在屏幕上的位置与波长成正 比，如果用白光做光源，中央为 白色明条纹，其两侧各级都为彩 色条纹。该衍射图样称为衍射光 谱。 几何光学是 波动光学在 时的极限情况。 (3)波长对衍射条纹的影响 (2)条纹亮度 中央明纹最亮，其它明纹的光强随级次增大而迅速减小。 中央明纹： asin=0所有子波干涉加强； 第一级明纹：k=1，三个半波带，只有一个干涉加强 (1/3) 第二级明纹：k=2，五个半波带，只有一个干涉加强 (1/5) 当 或 时会出 现明显的衍射现象。 例87用单色平行可见光，垂直照射到缝宽为a=0.5mm的单缝上 ，在缝后放一焦距f=1m的透镜，在位于焦平面的观察屏上形成衍 射条纹，已知屏上离中央纹中心为1.5mm处的P点为明纹，求： (1)入射光的波长； (2)P点的明纹级和对应的衍射角； (3)中央 明纹的宽度。 解：(1)对P点，由 当很小， tg=sin= 由单缝衍射公式可知 当k=1时，=500nm 当k=2时，=300nm 在可见光范围内，入射光波长为=500nm. (2)P点为第一级 明纹，k=1 (3)中央明纹宽度为 三、干涉与衍射的本质 光的干涉与衍射一样，本质上都是光波相干叠加的 结果。一般来说，干涉是指有限个分立的光束的相 干叠加，衍射则是连续的无限个子波的相干叠加。 干涉强调的是不同光束相互影响而形成相长或相消 的现象；衍射强调的是光线偏离直线而进入阴影区 域。 衍射图像：中央是个明亮的圆斑（ 称作艾里斑），外围是一组明暗相 间的同心圆。 1 实验装置及衍 射图样 四、圆孔夫琅禾费衍射 2 艾里斑： 第一暗环对应的衍射角0 称为艾里斑的半角宽，理 论计算得： 式中D=2R为圆孔的直径，若f为 透镜L2的焦距，则艾里斑的半径 为： 中央明区 集中了衍 射光能的 83.8% 光源 透镜L1 圆孔，R I 86 衍射光栅 引言：对于单缝： 若缝宽大，条纹亮，但条纹间距小，不易分辨 若缝宽小，条纹间距大，但条纹暗，也不易分辨 因而利用单缝衍射不能精确地进行测量。 问题：能否得到亮度大，分得开，宽度窄的明条纹？ 结论：利用衍射光栅所形成的衍射图样光栅光谱 应用： 精确地测量光的波长； 是重要的光学元件，广泛应用于物理，化学，天文 ，地质等基础学科和近代生产技术的许多部门。 一、衍射光栅 由大量等宽度、等间距的平行狭缝构成的光学 系统称为光栅。 光栅常数d 的数量级约10-6米，即微米 通常每厘米上的刻痕数有几干条，甚至达几万 条。 1、光栅 a 透光缝宽度（称缝宽）； b 不透光部分宽度（称刻痕宽度）； d=(a+b) 光栅常数。 设平行光线垂直入射。 o p E f a b 2、光栅衍射的实验装置与衍射图样 屏幕上对应于光直线传播的成像位置上出现中央明纹； 在中央明纹两侧出现一系列明暗相间的条纹，两明条纹分得 很开，明条纹的亮度随着与中央的距离增大而减弱； 明条纹的宽度随狭缝的增多而变细。 3、光栅衍射图样的形成 O a O a 单缝衍射 多缝干涉 相邻狭缝对应点在衍射角 方向 上的光程 差满足： A a b P O f E F G 则它们相干加强，形成明条纹。 (a+b)sin =k k=0, 1, 2, 3 由每条狭缝射出的光都是狭缝的衍射 光，遵从单缝衍射的规律。 由不同狭缝射出的光都是相干光， 必定发生干涉。 光栅衍射条纹是单缝衍射和缝间 干涉的共同结果。 缝数愈多 ，亮纹愈 细。 0 I -2-11 2 单缝衍射光强 (asin)/k= (a) (dsin)/ 0 4-8-48 多缝干涉光强 亮纹 (主极大) k= (b) I N2I0单 0 48-4-8 dsin(/d) 单缝衍射 轮廓线 光栅衍射 光强曲线 k= (dsin)/ (c) 二、光栅方程 A a b P O f (a+b)sin =k k=0, 1, 2, 明纹中心 三、光栅衍射图样的几点讨论 1、主极大明条纹中心位置： (a+b)sin =k k=0, 1, 2 明纹位置由k/ (a+b)确定，与光栅的缝数无关， 缝数增大只是使条纹亮度增大与条纹变窄； 光栅常数越小，条纹间隔越大； 由于|sin|1，k的取值有一定的范围，故只 能看到有限级的衍射条纹。 进一步讨论： 缝宽对条纹分布的影响 光栅常数对条纹分布的影响 光栅刻线数目对条纹分布的影响 波长对条纹分布的影响 a sin =k k =0, 1, 2, 2、光栅的缺极 缺极时衍射角同时满足： 即 k =(a+b) /a k k 就是所缺的级次 (a+b)sin =k k=0, 1, 2, 在衍射方向上各缝间的干涉是 加强的，但由于各单缝本身在 这一方向上的衍射强度为零， 其结果仍是零，因而该方向的 明纹不出现。这种满足光栅明 纹条件而实际上明纹不出现的 现象，称为光栅的缺级。 例89：用波长为500nm的单色光垂直照射到每毫米有500条刻痕 的光栅上，求： 1)第一级和第三级明纹的衍射角； 2)若缝宽与缝间距相等，由用此光栅最能看到几条明纹。 解：1)光栅常量 由光栅方程 可知：第一级明纹k=1 第三级明纹k=3 2)理论上能看到的最高 级谱线的极限，对应衍 射角=/2， 即最多能看到第4级明条 纹，考虑缺级 (a+b)/a=(a+a)/a=2。 第2、4级明纹不出现， 从而实际出现的只有0， 1，3级，因而只能看到5 条明纹。 例810:一衍射光栅,每厘米有400条透光缝,每条透光缝宽度为 a=110-5m,在光栅后放一焦距f=1m的凸透镜,现以=500nm 的单色平行光垂直照射光栅,求(1)透光缝a的单缝衍射中央 明条纹宽度为多少?(2)在该宽度内,有几个光栅衍射主极大? 解: (1)由单缝衍射中央明条纹宽度公式, (2)在由单缝衍射第一级暗纹公式asin=,所确定的内,按光 栅衍射主极大的公式,即 两式联立 四、衍射光谱 白光经过光栅后，各种波长的单色光将产生自的衍射条纹， 除中央明纹由各色光混合仍为白光外，其两侧的各级明条纹 都将形成由紫到红对称排列的彩色光带，这些光带的整体叫 做衍射光谱。 如果光源发出的是白光，则光栅光谱中除零级近似为一条 白色亮线外，其它各级亮线都排列成连续的光谱带。由于 电磁波与物质相互作用时，物质的状态会发生变化，伴随 有发射和吸收能量的现象，因此关于对物质发射光谱和吸 收光谱的研究已成为研究物质结构的重要手段之一。 应用:光栅光谱.测量入射光波长,分析复色光波长成分,或利 用不同元素具有不同的特征谱线,用光谱分析研究物质结构. 一、 光学仪器的分辨本领 点物S 像S L 1、物与像的关系 物理光学 像点不再是几何点，而是具有一 定大小的艾里斑。 S L S O 几何光学 物像一一对应，像点是几何点 S L S O 点物S和S1在透镜的焦平面上呈 现两个艾里斑，屏上总光强为 两衍射光斑的非相干迭加。 S1 S S1 S A f1 f2 O S1 S S S1 L O 当两个物点距离足够小时 ，就有能否分辨的问题。 87 衍射规律的应用 瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：点物 S1的艾里斑中心恰好与另一个点物S2的艾 里斑边缘（第一衍射极小）相重合时，恰 可分辨两物点。 2、瑞利判据 S1 S2 S1 S2 S1 S2 可分辨 恰可分辨 不可分辨 100% 73.6% 满足瑞利判据的两物点间的距离，就是光学仪器所能分辨的最 小距离。两个中央亮斑对透镜中心所张的角0称为最小分辨角 。 0=1.22/D，显然，这等于艾里斑的半角宽度。 最小分辨角的倒数称为仪器的分辨本领 3、光学仪器的分辨率 讨论： 分辨本领与D成正比，与波长成 反比：D大，分辨本领大；波长小 ，分辨本领大 圆孔衍射公式对抛物面式的天线 ，雷达均成立。 例8-8：假设汽车两盏灯相距r =1.5m，人的眼睛瞳孔直径D=4mm ，问最远在多少米的地方，人眼恰好能分辨出这两盏灯? 解：假设所求距离只取决于眼睛瞳孔的衍射效应，并以对视觉最 敏感的黄绿光=550nm，进行讨论，设眼睛恰好能分辨两盏灯的 距离为S，则对人眼的张角为： 根据瑞利判据： 代入数据，得： 人眼的分辨本领 设人眼瞳孔直径为D，可把人 眼看成一枚凸透镜，焦距只有 20毫米，其成像为夫琅禾费衍 射的图样。 r S 1 2 1 2 德国实验物理学家，1895 年发现了X射线，并将其公 布于世。历史上第一张X射 线照片，就是伦琴拍摄他 夫人的手的照片。 由于X射线的发现具有重 大的理论意义和实用价值 ， 伦琴于1901年获得首届诺 贝尔物理学奖金。 伦琴（W. K. Rontgen，1845-1923） 二、X射线的衍射 劳厄（M. V. Laue，1879-1960） 德国物理学家，发现 X射线的衍射现象 ，从而判定X射线的本质是高频电磁波 。1904年，他因此获得诺贝尔物理学奖 金。 布拉格父子（W. L. Bragg，子、W. H. Bragg，父） 英国物理学家，在利用X射线研究 晶体结构方面作出了巨大的贡献， 奠定了X射线谱学及X射线结构分 析的基础。他们因此而于1915年共 同获得诺贝尔物理学奖金。 1、X射线 原子内壳层电子跃迁产 生的一种辐射和高速电 子在靶上骤然减速时伴 随的辐射，称为X 射线 。 其特点是： 1 在电磁场中不发生偏转。 2 穿透力强 3 波长较短的电磁波， 范围在0.001nm10nm之间。 A K 高压 1895年伦琴发现，高速电子撞 击某些固体时，会产生一种看 不见的射线，它能够透过许多 对可见光不透明的物质，对感 光乳胶有感光作用，并能使许 多物质产生荧光，这就是所谓 的X射线或伦琴射线。 2、劳厄实验 晶体中原子排列成有 规则的空间点阵，原 子间距为10-10m的数量 级，与X射线的波长同 数量级，可以利用晶 体作为天然光栅。 1912年劳厄的实验装置 在乳胶板上形成对称分 布的若干衍射斑点，称 为劳厄斑。 劳厄实验证明了X射线的波动性，同时 还证实了晶体中原子排列的规则性。 3、布拉格公式 AP 1 2 3 d 同一晶面上相邻原子散 射的光波的光程差等于 零 AN-PM= 0， 它们 相干加强。若要在该方 向上不同晶面上原子散 射光相干加强，则必须 满足： MN B CD 即当2dsin =k时各层面上的反射光相干加强，形 成亮点，称为 k 级干涉主极大。该式称为布拉格公式。 因为晶体有很多组平行晶面，晶面间的距离 d 各 不相同。所以，劳厄斑是由空间分布的亮斑组成。 1913年英国物理学家布拉格 父子提出一种简化了的研究 X射线衍射的方法，与劳厄 理论结果一致。 X 射线的应用不仅开创了研究晶体结构的新领域，而且 用它可以作光谱分析，在科学研究和工程技术上有着广 泛的应用。 1953年英国的威尔金 斯、沃森和克里克利 用X 射线的结构分析 得到了遗传基因脱氧 核糖核酸（DNA) 的双 螺旋结构，荣获了 1962 年度诺贝尔生物 和医学奖。 4、X射线的应用 一、光的偏振性 1、横波和纵波的区别偏振 纵波：振动方向与传播方向一致，不存在偏振问题； 横波： 垂直，存在偏振问题。 定义：振动方向 对于传播方向的 不对称性称为偏 振性。 说明：只有横波 才具有偏振现象 ，偏振现象是横 波区别于纵波的 最明显的特征。 88 光的偏振性 2、光的偏振性： 对于平面电磁波，电场强度 矢量光矢量的振动方向 与传播方向垂直。 光矢量的振动方向总是与光的传播方向垂直的，即光 矢量的横向振动状态，相对于传播方向不具有对称性， 这种光矢量的振动相对于传播方向的不对称性，称为 光的偏振性。 光的偏振性说明光波是横波 二、偏振态的分类 1、自然光 各个方向上光振动振幅相同的光，称为自然光。 特点： 在所有可能的方向上，光矢量的振幅都相等； 自然光可分解为振动方向相互垂直但取向任意的两个线偏振光 ，它们振幅相等，没有确定的相位关系，各占总光强的一半。 自然光的表示方法：圆点与短线等距离地交错、均匀地画出。 . x y 2、线偏振光 定义：在垂直于传播方向的平面内 ，光矢量只沿某一个固定方向振动 ，则称为线偏振光，又称为平面偏 振光或线偏振光。 3、部分偏振光 定义：光波中不同方向上的光 振动振幅不等，在某一方向上 振幅最大，而与之垂直的方向 上的振幅最小，则称为部分偏 振光。 特点：部分偏振光两垂直方向 光振动之间无固定的相位差。 偏振光的表示法 部分偏振光的表示法 4、椭圆偏振光和圆偏振光： 光矢量末端的运动轨迹是椭圆或圆。 圆偏振光 线偏光 椭 圆 偏 振 光 在迎光矢量图上，光矢量端点沿逆时针方向旋转的称为 左旋偏振光；沿顺时针方向旋转的称为右旋偏振光。 三、偏振度 1、定义： 若与最大和最小振幅对应的光强分别为Imax和Imin，则 偏振度的定义为 2、光的偏振度 自然光： Imax=Imin，P=0，偏振度最小； 线偏振光： Imin=0，P=1，偏振度最大； 部分偏振光： 0P1。 四、偏振片 起偏和检偏 1、基本概念 普通光源发出的是自然光，用于从自然光中获得偏振光 的器件称为起偏器。 人的眼睛不能区分自然光与偏振光，用于鉴别光的偏振 状态的器件称为检偏器 2、偏振片 是一种人工膜片，对不同方向的光振动有选择吸收的性能 ，从而使膜片中有一个特殊的方向，当一束自然光射到膜 片上时，与此方向垂直的光振动分量完全被吸收，只让平 行于该方向的光振动分量通过，即只允许沿某一特定方向 的光通过的光学器件，叫做偏振片。这个特定的方向叫做 偏振片的偏振化方向，用“ ”表示。 3、起偏器 自然光通过偏振片后成为线偏振 光，线偏振光的振动方向与偏振 片的偏振化方向一致。 4、检偏器 用来检验某一束光是否 偏振光。 方法：转动偏振片，观 察透射光强度的变化。 自然光：透射光强度不 发生变化 偏振光：透射光强度发生变化 部分偏振光：偏振光 通过偏振片后，在转 动偏振片的过程中， 透射光强度发生变化 。 89 偏振光的获得和检测 一、偏振光的获得 自然光在两种各向同性介质的分界 面上反射和折射时，不但光的传播 方向要改变，而且光的偏振状态也 要改变，所以反射光和折射光都是 部分偏振光。 i n1 n2 在一般情况下，反射光是以垂 直于入射面的光振动为主的部分 偏振光；折射光是以平行于入射 面的光振动为主的部分偏振光。 1. 反射光和折射光的偏振 2、布儒斯特定律内容 反射光的偏振化程度与入射角有关，若光从折射率为n1的介 质射向折射率为n2的介质，当入射角满足 这实验规律可用电磁场理论的菲涅耳公式解释。 时，反射光中就只有垂直于入射面 的光振动，而没有平行于入射面的 光振动，这时反射光为线偏振光， 而折射光仍为部分偏振光。这就是 Brewster定律。其中i0叫做起偏角 或布儒斯特角。 3、利用反射和折射时的偏振可以做起偏和检偏 n1 n2 i0 3、说明 当入射角是布儒斯特角时，折射光与入射光垂直。 由折射定律： n1sini0=n2sin0 布儒斯特定律： tg i0= n2 /n1 即： n1sini0=n2cosi0 相比较： cosi0= sin0 故 i0= sin0=/2 理论实验表明：反射所获得的线偏光仅占入射自然光总能量的 7.4%，而约占85%的垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中 。 1.5 1.5 1.5 1.0 1.0 1.0 1.0 反射光能量较弱，透射光 较强。为了获得一束强度 较高的偏振光，可以使自 然光通过一系列玻璃片重 叠在一起的玻璃堆，并使 入射角为起偏角，则透射 光近似地为线偏振光。 n1 n2 i0 例题：已知某材料在空气中的布儒斯特角 ip=580， 求它的折射 率？若将它放在水中（水的折射率为 1.33），求布儒斯特角？ 该材料对水的相对 折射率是多少？ 解：设该材料的折射率为 n ，空气的折射率为1 放在水中，则对应有 所以： 该材料对水的相对