第3章,光的偏掁性总结.ppt

第三章光的偏掁 原书第五章 一 光的偏振性 1 自然光 2 完全偏振光 1 线偏振光 2 圆偏振光 3 椭圆偏振光 3 部分偏振光 1光的偏振态基本概念 二 光的偏振态分类 光的波动性光的干涉 衍射 光波是横波光的偏振 机械横波与纵波的区别 机械波穿过狭缝 一 光的偏振性 光是横波光波又是电磁波 光矢量E的振动称为光振动 光矢量的振动状态叫做光波的偏振态 光波按偏振态来划分 可分为三大类 1 自然光 2 完全偏振光 3 部分偏振光 二 光的偏振态分类 1 自然光 非偏振光 普通光源中包含许许多多分子和原子 不同的原子或分子所发光波 或同一原子不同时刻所发光波 其振动方向振幅 初始相位各不相同 在垂直于光传播方向的平面内 在观测最小时间间隔内 光振动在各个方向的几率相同 没有那一个方向占更大优势 我们称这种光为自然光 用来表示垂直于光传播方向的平面内 光振动方向的矢量图 叫做迎光矢量图 该图表示迎着光传播方向看到的光振动的情况 在迎光矢量图上 自然光是一些均匀分布的辐射线 自然光等效为两振幅相等 互相垂直的 无相位关系的线偏振光 自然光的两种表示方法 注意 1 二互相垂直的方向是任选的 2 各光矢量间无固定的相位关系 令自然光的强度为I0 根据非相干叠加 有 左图中线段表示光振动平行于图面的线偏振光 点子表示光振动垂直于图面 线偏振光 2 完全偏振光 1 线偏振光 在与光传播方向垂直的平面内 光振动只改变振幅大小 不改变方向 它的端点的轨迹是一条直线 这种光称为线偏振光 另外 光矢量总是在一个固定的平面内 所以这种偏振光又叫做平面偏振光 在迎光矢量图上 线偏振光是一直线 2 圆偏振光 在垂直于光传播方向的固定平面内 光矢量的大小不变 但随时间以角速度 旋转 其末端的轨迹是圆 这种光叫做圆偏振光 右旋圆偏振光 迎光的传播方向看 光矢量顺时针转 反之 叫做左旋圆偏振光 在垂直于光传播方向的平面内 右旋圆偏振光的光矢量随时间变化顺时针旋转 3 椭圆偏振光 在垂直于光传播方向的固定平面内 光矢量的方向和大小都在随时间改变 光矢量的端点描出一个椭圆 这样的偏振光叫做椭圆偏振光 左旋椭圆偏振光光矢量随时间逆时针旋转 两相互垂直同频率不同相位差简谐运动的合成图 3 部分偏振光 由自然光和完全偏振光组成的光 叫做部分偏振光 或某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的光为部分偏振光 1 自然光 线偏振光 2 自然光 圆偏振光 3 自然光 椭圆偏振光 共有以上三种部分偏振光 2马吕斯定律与布儒斯特定律 2 菲涅耳公式 3 布儒斯特定律 1 马吕斯定律 1 偏振片起偏与检偏 二向色性 某些物质能吸收某一方向的光振动 而只让与这个方向垂直的光振动通过 这种性质称二向色性 偏振片 涂有二向色性材料的透明薄片 偏振化方向 当自然光照射在偏振片上时 它只让某一特定方向的光通过 1 马吕斯定律 检偏 2 马吕斯定律 1880年 马吕斯定律强度为的偏振光通过检偏振器后 出射光的强度为 若在间变化 如何变化 2 布儒斯特定律 1808年 马吕斯发现 自然光在介质上反射 折射时 有偏振现象发生 即反射光与折射光都是部分偏振光 而反射光中垂直分量占多数 1813年 布儒斯特发现 当入射光以一定角度入射时 反射光为完全偏振光 只有垂直入射面的振动分量 这个现象称为布儒斯特定律 入射面入射光线和法线所成的平面 反射光部分偏振光 垂直于入射面的振动大于平行于入射面的振动 折射光部分偏振光 平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动 理论和实验证明 反射光的偏振化程度与入射角有关 1 光反射与折射时的偏振 1 反射光和折射光互相垂直 2 根据光的可逆性 当入射光以角从介质入射于界面时 此角即为布儒斯特角 讨论下列光线的反射和折射 起偏角 讨论如图的装置为偏振片 问下列四种情况 屏上有无干涉条纹 1 去掉保留2 去掉保留3 去掉保留4 都保留 无 两振动互相垂直 无 两振动互相垂直 无 无恒定相位差 有 3 3 5晶体的双折射 要点 晶体的双折射现象 光在单轴晶体中的波面图 1 负晶波面图 2 正晶的波面图 用惠更斯原理确定反射和折射光传播方向 1 作图法确定光在各向同性介质 2 用惠更斯作图法确定光在晶体 界面上的反射和折射光方向 中的传播方向 晶体绕入射光方向旋转 寻常光 O光 不动 非常光 e光 随着晶体旋转 1 晶体的双折射现象 一束单色自然光垂直入射于晶体的表面 进入晶体后 变为两束光 光轴 晶体中有一个方向 光沿这个方向传播不发生双折射 这个方向叫做光轴 也叫晶轴 例如 天然方解石晶体一六面棱体 每一面都是菱形 大角约为1020 小角约为780 2晶体的光轴 主截面和主平面 寻常光和非常光特点 寻常光 O光 1 是振动面垂直与自己的主平面的线偏振光 3 沿各个方向折射率相同 传播速度相同 单轴晶体 方解石 冰 石英 红宝石等 2 符合折射定律和反射定律 非常光 e光 1 是振动面平行于自己的主平面的线偏振光 2 一般不符合折射定律 在垂直于光轴的方向 3 沿不同的方向折射率不同 传播速度不同 当o光和e光的主平面相互平行时 两光的振动面互相垂直 对于e光 沿垂直于光轴的方向的折射率称为主折射率 记为ne 传播时符合折射定律 沿光轴的方向折射率和速度与O光相同 3晶体中o光与e光的相对光强 自然光入射 o光与e光的光强相等 线偏振光入射 如图 主平面为xz平面 z z 由图分析可得 4 光在单轴晶体中的波面图 晶体可分为正晶和负晶 ne no的晶体 叫做正晶 如石英 ne no的晶体 叫做负晶 如方解石 对于钠黄光 方解石晶体的折射率 e光沿垂直于光轴的方向 折射率最小 速度最大 1 负晶波面图 以点光源为例 O xyz是方解石晶体内的三维坐标o光在晶体内部各个方向速度相同 所以 经过t时间o光的波面图是球面 e光不同方向速度不同 所以波面图是椭球面 o光和e光在光轴方向上相切 2 正晶的波面图 e光波面图是长轴为vet 短轴为vot 在光轴方向上外切球面的椭球面 钠黄光在石英晶体内折射率 一偏振棱镜 1 尼科耳棱镜 作用与偏振片同 进入晶体发生双折射 O光被涂黑的界面吸收 线偏振光 利用晶体双折射现象 将晶体制成各种偏振棱镜获取线偏振光 特点 透明度好 偏振度高 3 格兰棱镜 格兰 汤普森棱镜 光轴 插页 插页 2屋拉斯顿棱镜 方解石 加拿大树胶 1 685 二波晶片 将单轴晶体切成的有一定厚度的晶体片 使其光轴平行于表面 叫做波片 当光垂直通过波片时 在波片内分解为o光e光 因在晶体内垂直于光轴传播 所以o光e光的传播速度不同 这样 传播到波片的后表面o光e光就有了附加的相位差 光程差 o光e光的相位差为 1 全波片 或 片 当 结论 o光与e光相位差2 经波片后出射光偏振态不发生改变 当 2 半波片 或 2片 称为二分之一波片 结论 o光与e光相位差 线偏振光经波片后振动面转过2 角 3 四分之一波片 或 4片 时 称为四分之一波长片 综上所述可见 同一种波片可以有不同的厚度 此外 波片的厚度还与波长有关 三波片的应用 自然光如何变为椭圆偏掁光或圆偏掁光偏掁态的检验 实际上 完全偏振光可以由两个互相垂直的 有相位关系的 同频率的线偏振光合成 反之 一完全偏振光也可以分解为两个任意方向 相互垂直 有相位关系的同频率的线偏振光 1 自然光转化为椭圆偏掁光 一个起偏器 一块波片 称为椭圆偏掁器 2 自然光转化为圆偏掁光 一个起偏器 一块1 4波片 称为圆偏掁器 要求起偏器的偏振化方向与1 4波片的光轴成45 角 偏振光的检验 用一片已知透振方向的偏振片和一片已知光轴方向的 4波片可以将前一章所讨论过的7种偏振态的光进行鉴别和检验 鉴别的方法列于下表中 光强变化 线偏振光 表1七种偏振态的鉴别 步骤1 操作把检偏器绕着被检验光旋转一周 判断 两明两零 不变 转步骤2 两明两暗 转步骤2 步骤2 在检偏器前插入 4片 再旋转检偏器 在检偏器前插入 4片 并使光轴对着暗方位 再旋转检偏器 判断 两明两零 不变 两明两暗 圆偏振光 自然光 两明两零 椭圆偏光 光强变化 两明两暗且暗方位与未插 4波片时同 两明两暗但暗方位与未插 4时不同 操作 返回首页 一 平行偏振光的干涉原理 偏振光垂直通过波片 由于晶体的双折射现象 按其振动方向 或振动面 分解为o光和e光 具有相同的振动频率和固定的相位关系 若将它们投影到同一方向 就能满足相干条件 实现偏振光的干涉 1P1 P2 二 讨论两种特例 3 在P2后 振幅为 4 相干光强 将Ao2 Ae2和 代入并整理得 振幅投影相位差 最后两光振动投影到P2上 形成干涉 4 讨论 设 固定不动 出射光强最大 出射光强最小 可见 出射光强与有关 与 有关 2P1 P2 1 透过P1后 光强 2 进入波片C后 波片后表面两振动 振幅 附加相位差 初始相位差 3 相干光振幅 透过P2振幅 振幅投影相位差为 相干光强 4 讨论 出射光强为零 若 一定 出射光强最大 整理得 同样 出射光强与有关 与 有关 这两种情况光强互补 比较 三 等厚干涉 当偏振光的干涉装置中的晶片厚度不均匀时 具有相同厚度的地方 将产生同样的干涉光强 形成等厚干涉花样 8旋光现象 线偏振光振动面转过的角度 为旋光系数 溶液旋光物质 C为溶液浓度 线偏