14 光的偏振现象.ppt

第十四章 光的偏振 17 13自然光偏振光 振动方向与传播方向组成的平面 光矢量E的振动方向对传播方向的不对称性 结论 只有横波才有偏振现象 偏振 偏振态 振动面 光矢量在垂直光传播方向的平面内的振动状态 振动平面与包含波传播方向在内的其他平面不同 波的振动方向相对于波的传播方向没有对称性 偏振 机械横波与纵波的区别 机械波穿过狭缝 这说明 对纵波而言 包含传播方向与振动方向所构成的平面 哪一个都一样 没有一个显示出与另一个有什么区别或不同 称之为 波的振动方向对传播方向具有对称性 一 自然光及其特点 没有优势方向 自然光的分解 光矢量具有环绕传播方向的对称性 垂直光传播方向的平面内 光振动没有优势方向 2 各方向的光矢量振幅相等 3 可用一对独立的 相互垂直的 振幅相等的光矢量表示 自然光的表示方法 表示光振动 纸面 振动面 振动面 各占一半 二 线偏振光 线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解 只含某一个固定振动方向的光 线偏振光的表示方法 简称 偏振光 亦称 完全偏振光 平面偏振光 可用起偏器获得 三 部分偏振光 部分偏振光的分解 部分偏振光 部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的 独立的 振幅不等的线偏振光 部分偏振光的表示方法 纸面的光振动较强 纸面的光振动较强 某振动方向占优势的光 可以认为 自然光 线偏光 四 圆偏振光和椭圆偏振光 圆偏振光 光矢量在 传播方向的平面内 椭圆偏振光 左旋光 右旋光 端点的轨迹是圆的光 以一定角频率旋转 且光矢量 光矢量在 传播方向的平面内 端点的轨迹是椭圆的光 以一定角频率旋转 且光矢量 五 获得偏振光的方法 1 利用晶体的二向色性 二向色性 吸收一个方向光振动而透过另一个方向光振动的特性 2 利用自然光在介质表面的反射和折射 3 利用晶体的双折射 4 利用分子散射 5 利用新型激光 15 2起偏和检偏马吕斯定律 一 起偏和检偏 1 起偏 使自然光或非偏振光变成线偏振光 2 检偏 检验入射光的偏振性 利用晶体的二向色性 4 偏振片的偏振化方向 透过偏振片的光振动方向 3 偏振片 制成的透明薄片 光强I不变 是什么光 光强I变 有消光 是什么光 光强I变 无消光 是什么光 5 偏振片的起偏和检偏方法 起偏 检偏 偏振片既可作起偏器又可作检偏器 偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化 偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化 偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化 偏振光通过旋转的检偏器 光强发生变化 两偏振片的偏振化方向相互垂直 光强为零 两个偏振片的偏振化方向相互平行 光强最大 自然光通过旋转的检偏器 光强不变 自然光通过旋转的检偏器 光强不变 自然光通过旋转的检偏器 光强不变 自然光通过旋转的检偏器 光强不变 自然光通过旋转的检偏器 光强不变 自然光通过旋转的检偏器 光强不变 二 马吕斯定律 马吕斯定律 1809 I 出射线偏振光强度 I0 入射线偏振光强度 入射偏振光的振动方向与偏振片偏振化方向的夹角 15 1 I0 I1 I0 I2 讲义P 326习题15 1 例 例1 有三个偏振片堆叠在一起 第一块与第三块的偏振片化方向相互垂直 第二块和第一块的偏振化方向相互平行 然后第二块偏振片以恒定的角速度w绕光传播的方向旋转 设入射自然光的光强为I0 试证明 此自然光通过这一系统后 出射光的光强为 例14 2要使一束线偏振光通过偏振片后振动方向转过90 至少需要让这束光通过几块理想偏振片 在此情况下 透射光强最大是原来光强的多少倍 解至少需要两块理想偏振片 如图所示 其中P1透光轴与线偏振光振动方向的夹角为 第二块偏振片透光轴与P1透光轴夹角为 90 设入射线偏振光原来的光强为I0 则透射光强 当2 90 即 45 时 立体电影 15 3反射光和折射光的偏振 一 反射光和折射光的偏振 部分偏振光 反射光 入射面的成份多于 成份 随i变化 部分偏振光 垂直多余平行光 是否可以实现反射全部为线偏振光 二 布儒斯特定律 反射光的偏振化程度与入射角有关 当入射角等于某一特定值i0时 反射光成为完全偏振光 是否可以实现无反射全部透射 神奇 称起偏振角或布儒斯特角 布儒斯特定律 自然光从折射率为n1的介质射向折射 率为n2的介质的界面 当入射角i满足 成为振动方向 入射面的完全偏振光 2 说明 自然光以i0入射时 折射光仍为部分偏振光 其光振动仍为 入射面的成份多于 入射面的成份 其强度比反射光更强 15 2 时 反射光 入射角为i0时 反射光 折射光 反之 当反射光 折射光 时 入射角一定是i0 反射光一定是完全偏振光 光从真空 或空气 入射到折射率为n的透明介质界面上时 起偏角i0满足 例 玻璃n 1 50 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 对于一般的光学玻璃 反射光的强度约占入射光强度的7 5 大部分光将透过玻璃 利用玻璃片堆产生线偏振光 15 4光的双折射 一 双折射现象 对于各向异性晶体 一束光射入晶体后 可观察到有 寻常光 简称o光 非常光 简称e光 o光和e光都是线偏振光 1 寻常光和非常光 遵守折射定律 不遵守折射定律 两束折射光的现象 2 o光和e光的特点 o光和e光都是线偏振光 在各向异性的晶体内 o光沿各方向的传播速度相等 e光沿各方向的传播速度不同 结论 o光在入射面内 e光一般不在入射面内 i 0时 r可不为0 i 0时 r 0 常量 常量 双折射现象 光 光 当方解石晶体旋转时 o光不动 e光围绕o光旋转 双折射 纸面 方解石晶体 光 光 双折射 纸面 方解石晶体 当方解石晶体旋转时 o光不动 e光围绕o光旋转 光 光 双折射 纸面 方解石晶体 当方解石晶体旋转时 o光不动 e光围绕o光旋转 光 光 双折射 纸面 方解石晶体 当方解石晶体旋转时 o光不动 e光围绕o光旋转 二 光轴主平面 1 光轴 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 例 方解石 CaCO3 2 光轴的特点 光轴是一特殊的 方向 不是一条直线 凡平行于此方向的直线均为光轴 沿光轴方向ve vo 垂直光轴方向差异最大 3 单轴晶体和双轴晶体 单轴晶体 只有一个光轴方向的晶体 双轴晶体 有两个光轴方向的晶体 例 方解石 石英 冰 例 云母 硫磺 蓝宝石 4 主截面 光轴与晶面法线构成的平面 o光的振动面 于o光的主平面 e光的振动面 于e光的主平面 当光轴方向 入射面时 o光主平面与e光主平面重合 5 主平面 晶体中的光线与光轴构成的平面 o光的子波波面是球面 三 单轴晶体中o光和e光的子波波面 1 o光和e光在晶体内形成的子波波面 e光的子波波面是椭球面 由于沿光轴方向e光和o光的速率相等 所以两种波面在光轴方向相切 e光与o光的速率在 光轴的方向上相差最大 2 正晶体和负晶体 正晶体 负晶体 例 石英 例 方解石 椭球面在球面内 椭球面在球面外 以负晶体方解石为例 光轴 晶体表面 自然光 入射 光轴 晶体表面且 入射面 自然光斜入射 3 惠更斯原理对双折射现象的解释 光轴与晶体表面斜交 自然光 入射 此时e光波面不与波线垂直 且i 0 ro 0 re 0 尼科耳棱镜既可作起偏器 又可作检偏器 四 尼科耳棱镜 当线偏振光通过某些透明物质时 线偏振光的振动面将旋转一定的角度 这种现象称为振动面的旋转 也称旋光现象 能使振动面旋转的物质称为旋光物质 如石英 糖和酒石酸等溶液都是旋光物质 滤光器 用以获取单色光 旋光物体 例如晶面与光轴垂直的石英片 自旋效应 右旋物质面对着光源观察 使光振动面的旋转为顺时针的旋光物质 左旋物质面对着光源观察 使光振动面的旋转为逆时针的旋光物质 左旋糖和右旋糖天然的植物提炼出的蔗糖及生物体内的葡萄糖都是右旋物质 而人工合成的糖既有左旋结构 又有右旋结构 人只能消化吸收右旋糖 波动光学习题课 一 基本概念和规律 1 杨氏双缝干涉 相邻条纹间距 2 薄膜干涉 作业 P21