大学光学经典课件l12光的横波性与五种偏振态

9 光的横波性与五种偏振态,1光的偏振现象,1）光的偏振的含义,光波振动方向的不全面和振幅 不均等的现象称为光的偏振现象,第二章 波动光学基本原理,2）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,（3）偏振片的制造,（4）偏振片的起偏和检偏性能,2光的横波性,1）机械波的横波性的检验,2）光波的横波性的检验,3光的五种偏振态,1）光是横波，才有不同的偏振状态,2）光波的五种偏振态：,线偏振光、自然光、部分偏振光、 圆偏振光和椭圆偏振光。,4线偏振光,1)线偏振光的定义：,在垂直光传播方向的平面上，只有单一 方向的振动矢量，随着时间的推移，振 动矢量只改变大小、不改变方向。,线偏振光：光矢量 E 只沿一个固定方向振动。,2)振动面与平面偏振光,振动面： 线偏振光的传播方向与 振动方向构成的平面。,同一波线上的线偏振光的光振动均处于同一 振动面上，又称线偏振光为平面偏振光。,线偏振光是偏振程度最强的光，又称线偏振 光为全偏振光。,3）线偏振光通过偏振片后的光强度,若入射的线偏振光强为：,旋转偏振片P一周， 出射光强的变化为：,存在一个消光方向, 在垂直 P 的透振方向上,4）马吕斯定律,称上式为马吕斯定律,注意：,（1）只适用于线偏振光,（2）马吕斯定律公式上的 三角函数项是平方项。,由于：,就有：,5）起偏器和检偏器,起偏器：任何偏振态的光通过后透射 光都变为线偏振光的器件。,检偏器：检查入射光偏振态的器件 线偏振射光通过此器件后光 强变为零。,偏振片既是起偏器，又是检偏器。,自然光通过偏振片后，光强为原来的二分之一。 旋转起偏器，屏幕上光强不变。,检偏器旋转一周，透射光光强出现两次最强，两次消光，说明入射到 P2 上的光是线偏振光。,P2,P1,6）一束线偏振光可以分解为两束 互相垂直的线偏振光,若将 带入参量方程消去参量t，,就有： ，这正是直线方程,结论：,（1）线偏振光可以分解为两个互相垂直 的相位差为 0 或 的线偏振光，,（2）可以由这两束线偏振光代替这束线偏振光。,5自然光,1）自然光的定义：,在垂直光传播方向的平面上， 所有方向均有横振动，,各个方向的振动幅度均相等， 形成如图所示的轴对称振幅分布。,自然光：,由于原子发光的独立性与随机性，对于普通光源所发的光，光矢量分布各向均匀。,各光矢量之间无固定的相位关系。,可用两个相互垂直的光矢量表示自然光，但两者之间也无固定的相位关系。,2）自然光通过偏振片后的光强度,若入射的自然光强为：,旋转偏振片P一周，出射光强均为：,（非相干迭加）,3）试证明自然光通过偏振片后 出射光强为入射光强的一半。,自然光由无数条非相干的线偏振光组成,数密度： 单位夹角内包 含的 线偏振光的条数,角内包含的线偏振 光的条数：,角内包含的线偏振光的总强度：,入射的自然光的总光强：,设偏振片的透振方向与 角内线偏振光 的夹角为：,依据马吕斯定律：,角内的线偏振光通过偏振片后的光强为：,透过偏振片后自然光的光强变为：,因此有：,注意：已经将公式中的 改写为,6部分偏振光,1）部分偏振光的定义：,在垂直光传播方向的平面上， 所有方向均有横振动，但不同 方向的振动幅度不相等，形成 如图的振幅分布。,部分偏振光:,介于线偏振光与自然光之间的情形，可看成线偏振光与自然光的混合。,若入射的部分偏振光强为,旋转偏振片P一周，出射光强的变化为：,与 的振动方向互相垂直,，没有消光现象出现,2）部分偏振光通过偏振片后的光强度,3）部分偏振光的总光强,4）偏振度：,时， ，为自然光,时， ，是线偏振光,注意： 与 是所有线偏振光在这两个互相 垂直方向上的投影分量的非相干叠加。,例题1 自然光通过两个偏振化方向的夹角为 60的偏振片后，透射光强为 I . 若在两偏振片间再插入另一偏振片，它与前两者的偏振化方向的夹角均为 30，则此时透射光光强为多少？,解,例题2 一束光由自然光和线偏振光混合组成，当它通过一转动的偏振片时，透射光光强的最大值是最小值的 5 倍。求入射光中自然光和线偏振光的光强各占入射光光强的几分之几？,解,设入射光光强为 I0 ，其中自然光光强为 I10 ， 线偏振光强度为 I20,设通过偏振片后的光强分别为 I ，I1 ，I2,为什么？,例题3: P309例5.1,7圆偏振光,1）圆偏振光的定义：,在垂直光传播方向的平面上， 只有单一的振动矢量，,振动矢量的大小不变， 振动方向匀速转动，,振动矢量的端点描绘成一个圆形轨迹。,2）圆偏振光通过偏振片后的光强度,若入射光强为：,旋转偏振片P一周， 出射光强不变化,3）圆偏振光能够分解成两束互相 垂直的线偏振光,结论：,（1）圆偏振光可以分解为两个互相垂直 的振幅相等、相位差为 的线偏振光。,（2）可以由这两束线偏振光来代替 这束圆偏振光。,4）圆偏振光的总光强：,5）左旋圆偏振光与右旋圆偏振光,若振动矢量 顺时针旋转就称为 右旋圆偏振光，此时：,若振动矢量 逆时针旋转就称为 左旋圆偏振光，此时：,（2）证明：若圆偏振光的 ， 则振动矢量 逆时针旋转。,证明：,已知：,如图所示，由 到,旋转走向为逆时针方向。,8椭圆偏振光,1）椭圆偏振光定义：,在垂直光传播方向的平 面上，只有单一的振动 矢量，振动矢量的大小 和方向不断地改变， 振动矢量的端点描绘成 一个椭圆形轨迹。,2）椭圆偏振光通过偏振片后的光强度,若入射的部分偏振光强为,旋转偏振片P一周，出射光强的变化为：,与 的振动方向垂直。,没有消光现象出现,3）椭圆偏振光能够分解成两束互相 垂直的线偏振光,当 时，,若消去参量方程中的t,有：,这正是椭圆方程式,结论：,（1）椭圆偏振光可以分解为两个互相 垂直的振幅不相等的相位差固定、 但不等于 或 0的线偏振光。,（2）可以由这两束线偏振光来代替这 束椭圆偏振光。,4）椭圆偏振光的总光强：,5）左旋与右旋椭圆偏振光,定义：,迎着光线传播的方向观看，,若振动矢量 顺时针旋转就称为 右旋椭圆偏振光，,若振动矢量 逆时针旋转就称为 左旋椭圆偏振光。,6）各种相位差对应的椭圆偏振态图,（1）当坐标系为如图所示时,（2）参量方程为：,（3）就有如下的各种相位差对应的椭圆偏振态图,（4）若参量方程用复振幅表示，则为：,，,。,，,7）自然光能够分解成两束线偏振光,两束线偏振光的关系是：,（1）分解的方向可以任意，但两束线偏振光 的方向必须互相垂直,（2）两束线偏振光的光强相等，均为,（3）两束线偏振光的相位差随时间变化， 不稳定。,（4）可以用分解成的两束线偏振光代替 这束自然光,8）为什么自然光只能由相位差不 稳定的两束线偏振光代替。,若两束线偏振光之间有稳定的相位差，,就能合成线偏振光、圆偏振光或