大学物理第五章1光的偏振.ppt

5.1 光的偏振现象 光的偏振态 5.1 线偏振光的获得与检测 起偏和检偏、马吕斯定律 5.3 反射光和折射光的偏振 一反射光和折射光的偏振 二布儒斯特定律 5.4 双折射现象 一光的双折射现象 二晶体光轴、主平面 三单轴晶体中光传播的惠更斯作图法 四晶体偏振器件 作业：51、52、55、58 、59 、5 10 5 .1 光的偏振态 光波中光矢量的振动方向总和光的传播方向相垂直 对横波： （光波） 光是电磁波，是横波 传播方向 当光的传播方向确定时，我们只知道光矢量在垂直于光的传播方 向的平面内，至于在这个平面内的哪个方向是不能完全确定的. 通常把光矢量保持在特定振动方向上的状态 称为光的偏振态 第五章 光的偏振 光波中光矢量的振动方向总和光的传播方向相垂直 对横波： （光波） 传播方向 因此，在研究除光的干涉和衍射外，作为 横波的光，还必须研究其振动方向的问题 光的偏振问题 u只有横波才 具有偏振现象 u光的干涉和衍 射现象揭示了光 的波动性，但不 能确定光是横波 还是纵波。 光矢量可能有各种不同的振动方向， 通常把光矢量保持在特定振动方向上的状态 称为光的偏振态 对纵波：振动方向与传播方向一致，即振动只有一个方向。 光是电磁波，是横波 具有偏振的特性 通常把光矢量保持在特定振动方向上的状态 称为光的偏振态 光的分类： 常见的偏振态可分为以下三类： 非偏振光、 完全偏振光（偏振光）、 部分偏振光 。 自然光线偏振光 椭圆偏振光 圆偏振光 1,线偏振光: 又称为平面偏振光 E 播 传 方向 振 动 面 面对光的传播方向看 偏振方向 光矢量只沿一个固定的方向振动。 线偏光的振动面（振动方向与传播方向决定的平面） 是固定不动的。 表示方法 ： 传播方向 传播方向 光振动平行于纸面的偏振光光振动垂直于纸面的偏振光 线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解： E Ey Ex y x 还有个特点： 2,自然光（Natural Light）（非偏振光）: 传播方向 自然光在垂直于光传播方向的平 面内，沿各个方向振动的光矢量都有 ，光矢量具有轴对称性且光矢量的分 布均匀，各个方向光振动振幅都相等 ，无固定相位差。 哪个振动方向 都没有优 u 自然光可分解为两个垂直的、 振幅相等的独立光振动。 u 自然光两个分振动的光强相等， 各占自然光光强的一半（50%） 自然光的分解 自然光的表示法： 短线和点分别表示平行于纸面和垂直于纸面的光 振动.点和短线交替均匀画出，表示光矢量对称 而均匀分布，注意二者无固定的相位关系. 平行于纸面和垂直纸面的分振动光强相等. 传播方向 自然光的分解 3. 部分偏振光 存在优势方向 部分偏振光介于自然光和偏振光之间 部分偏振 光的分解 光矢量具有各个方向振动象自然光, 光矢量在各方向振动振幅不等偏振 特点： 各个方向振动的光矢量都有；振幅不相等；光矢量不具有 轴对称性 部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、 不相干（无固定位相关系）的线偏振光。 3. 部分偏振光 表示法： 存在优势方向 部分偏振光介于自然光和偏振光之间 部分偏振 光的分解 平行多余垂直分量 垂直于多余平行分量 仰首看到“天光” 俯首看到“湖光” 4,圆偏振光和椭圆偏振光 y y x z 传播方向 /2 x E 0 特点： 光矢量只沿一个固定的方 向振动的同时，在还要绕 着传播方向均匀转动（光 矢量按一定频率旋转）。 如果光矢量端点轨迹是一个圆圆偏振光 如果光矢量端点轨迹是一个椭圆椭圆偏振光 根据相互垂直的简谐振动的合成规律 这两个分振动具有确定的相位关系。 = 不同，椭圆形状、旋向也不同。 = 3/2 = 5/4 = 7/4 = /2 = /4 = 0 y x = 3/4 （-3/4） （-/2）（-/4） 复习 圆、 椭圆 偏振 光 5.2 线偏振的获得与检验 1. 起偏和检偏 在实验室内怎样产生偏振光？ 又如何检验光的偏振态呢？现在常用的方法是利用偏振片。 起偏器: 起偏的光学器件-偏振片 起偏： 检偏： 现在常用的起偏和检偏的器件是偏振片 如何由自然光获得线偏振光？ u从自然光获得偏振光的过程； u鉴别光的偏振状态的过程； x y z z 线栅起偏器 入射 电磁波 非偏振光线偏振光 光轴 电气石晶片 透振方向 2. 偏振片 这种晶粒对某一方向的光矢量有强烈的吸收 而相对垂直的方向的光矢量则吸收很少。 这就使得做成的偏振片基本上只允许振动面 在某一特定方向的偏振光通过，这一方向称为偏振化方向( 即光通过的方向） 是在透明基片上蒸度一层某种晶粒做成. 重要规律 2、自然光通过偏振片光强衰减一半 。 1、自然光通过偏振片变为线偏振光； 偏振片的偏振化方向（又称为透偏振方向）：偏振片 允许通过的光振动的方向 偏 振 化 方 向 自然光 偏振片 线偏振光 3. 各种偏振态的光通过偏振片情况 自然光 自然光通过偏振片为线偏光； 转动偏振片360光强不变化； 线偏光 线偏光通过偏振片为线偏光； 转动偏振片360光强有变化， 有两次消光； 偏振化方向 3. 各种偏振态的光通过偏振片情况 部分偏振光 转动偏振片360光强有变化；无消光 圆偏振光 转动偏振片360光强不变化； 椭圆偏振光 转动偏振片360光强有变化；无消光 4. 马吕斯定律 自然光 线偏光 马吕斯定律（1809） 消光 马吕斯定律（1809） 例题1,在双缝干涉中用自然光在屏上形成干涉条 纹,若在两缝后放一偏振片,则: （）干涉条纹间距不变,明纹亮度加强 （ ）干涉条纹间距不变,明纹亮度减弱 （）干涉条纹间距变窄,明纹亮度减弱 （ ）无干涉条纹 B 例2. 已知 以角速度 转动 自然光入射强度为 求：出射光 ? I = ? Imax= 何时 解： 5.3 反射光和折射光的偏振 一反射光和折射光的偏振 自然光在两种各向同性媒质分界 面上反射和折射时， 不仅光的传播方向要改变，而且 偏振状态也要发生变化。 一般情况下，反射光和折射光 不再是自然光，而是部分偏振光。 反射光中垂直于入射面的光振动多于平行入射面的光振动； 折射光中平行于入射面的光振动多于垂直入射面的光振动 理论和实验证明： 反射光的偏振化程度和入射角 i 有关。 当入射角等于某一特定值 i0 时， 反射光是光振动垂直入射面的线偏光， 这一特定角 i0 称为起偏角或布儒斯特角。 当i = i0 时， i 0 +r0 = 90 有 布儒斯特定律 (1812年) 二布儒斯特定律 实验中还发现 应用： （）可测不透明媒质折射率 （）获得较强线偏振光。 玻璃片堆 当自然光以起偏角入射时，反射光为线偏光，但光强很弱； 折射光仍为部分偏振光，但光强较强。 为了增强反射光的强度和折射光的偏振化程度，采用 i0 (接近线偏振光) 应用3： 在拍摄玻璃窗内的物体时， 去掉反射光的干扰？ 未装偏振片 装偏振片 例题1 ：一束单色光自空气射向一块平板玻璃， 设入射角等于布儒斯特角，则在界面的反射光 为： ，是自然光； ，是线偏振光且光矢量的振动方向垂直于入射 面 ，是线偏振光且光矢量的振动方向平行于入射 面； ，是部分偏振光 结果： 一束光射入晶体时，折射光分成两束； 当晶体在垂直入射光的平面内转动时， 一束折射光传播方向保持不变， 另一束折射光随着晶体转动传播方向改变。 双折射现象 方解石 o e e o 影片：双折射 一光的双折射现象 1. 光的双折射现象 一束光射入各向异性媒质时，折射光分成两束的现象 2. 寻常光o，非常光e 在上述实验中转动晶体， 折射光传播方向不变的那束光称为寻常光o ； 随着晶体转动传播方向改变的那束光称为非常光e 寻常光（o光）遵从折射定律； n1 n2 i ro re(各向异 性媒质) 自然光 o光 e光 非寻常光（ e光 ） 一般不遵从折射定律 e 光折射线也不一定在入射面内。 o 光和 e 光均为线偏振光。振动面互相垂直 实验上如何证明 二晶体光轴、主平面 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射， 该方向称为晶体的光轴。 1. 晶体的光轴 沿光轴方向 o 光和 e 光在的传播速率相等 注意：光轴只是一特殊方向而非一实在轴线 凡平行于此方向的直线均为光轴 。 如天然方解石 平行六面体 2. 单轴晶体、多轴晶体 多轴晶体：不只一个光轴的晶体。 单轴晶体：只有一个光轴的晶体。 如天然方解石 平行六面体 如：方解石、石英、红宝石等 如：蓝宝石（双轴晶体） 3. 主平面 晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。 e光 光轴 e光的 主平面 o光 光轴 o光的 主平面 o 光的光振动方向垂直于o 光的主平面； e 光的光振动方向平行 e 光的主平面。 一般情况下，o 光的主平面和 e 光的主平面 并不重合。 1. 单轴晶体的子波波阵面 光轴 o 波 面 e 波 面 两种光线沿光轴方向的速率相等， 两波面在光轴方向相切， 在垂直光轴方向上，两光线传播速率相 差最大 三单轴晶体中光传播的惠更斯作图法 光子波波阵面为球面 振动沿各方向传播速度相同光 振动沿各方向传播速度不同光 光子波波阵面为旋转椭球面 光轴 o 波 面 e 波 面 o 光的传播速率用vo 表示 折射率用no 表示， e 光在垂直光轴方向上的传播速率 用ve 表示，折射率用ne 表示 根据no 和ne 的大小关系，晶体分为正晶体和负晶体 no ，ne称为晶体的主折射率 2. 晶体的主折射率、正晶体、负晶体 负晶体 : ne no (eo ) 光轴 vet vot 光轴 vot vet 如石英 no ，ne称为晶体的主折射率 如方解石 tt0 tt1 3. 单轴晶体中光传播的惠更斯作图法 思路：（波的折射） 向晶体内发出球面子波 和椭球面子波。作所有 各点所发子波的包络面 ，即得晶体中o 光波面 和e 光波面，从入射点 引向相应包络面与o 光 波面和e 光波面的切点 的连线方向就是所求晶 体中的o 光和e 光传播 方向 下面以负晶体为例来说明 a. 光轴平行晶体表面，自然光垂直入射 o , e 在方向上虽没分开， 但速度上是分开的。 ( e o ) b. 光轴平行晶体表面， 自然光斜入射 c. 光轴与晶体表面斜交， 自然光斜入射 四晶体偏振器件 利用晶体的双折射现象，可制成棱镜来获得线偏光 其思想是： 1. 偏振棱镜尼科耳棱镜 将一束自然光射入到晶体制成的复合棱镜， 利用双折射现象分成寻常光和非常光， 然后利用全反射原理把寻常