自然光与偏振光（课堂PPT）

1光波、光线与光子,1.3自然光与偏振光,主要内容,2.自然光,1.完全偏振光,3.部分偏振光,4.自然光在两种电介质分界面上的反射和折射菲涅耳公式,5.斯托克斯倒易关系,6.布儒斯特定律,7.马吕斯定律,8.反射光与透射光的半波损失（相位突变）,9.反射光与透射光的能量分配,1.3自然光与偏振光,1光波、光线与光子,偏振态：光矢量在垂直于传播方向的平面内可能存在的不同振动状态,偏振面（振动面）：振动方向（光矢量方向）与光传播方向构成的平面,偏振态分类：完全偏振（线偏振、圆偏振、椭圆偏振），非偏振，部分偏振,1.3自然光与偏振光,1光波、光线与光子,定义,特点：光振动限于某一确定的平面内，光矢量在垂直于传播方向的平面内的投影为一直线,说明：线偏振光也可看作是振动方向正交、相位相同或相反的两个线偏振光的合成,(1)平面偏振光（线偏振光）,1.3自然光与偏振光,1光波、光线与光子,1.3.1完全偏振光,(2)圆偏振光,特点：偏振面相对于传播方向随时间以圆频率w旋转，其光矢量末端的轨迹位于一个圆形螺线上，并且在垂直于传播方向的平面上的投影构成一个圆。,左旋圆偏振光：迎着光传播方向观察时，光矢量沿逆时针旋转。右旋圆偏振光：迎着光传播方向观察时，光矢量沿顺时针旋转。,1.3.1完全偏振光,1.3自然光与偏振光,1光波、光线与光子,(3)椭圆偏振光,特点：偏振面相对于传播方向随时间以圆频率w旋转，其光矢量末端的轨迹位于一个椭圆形螺线上，并且在垂直于传播方向的平面上的投影构成一个椭圆。,左旋椭圆偏振光：迎着光传播方向观察时，光矢量沿逆时针旋转。,右旋椭圆偏振光：迎着光传播方向观察时，光矢量沿顺时针旋转。,1.3.1完全偏振光,1.3自然光与偏振光,1光波、光线与光子,线偏振光和圆偏振光只是椭圆偏振光的两种特殊形式。若两个正交振动的振幅相等，相位差等于p/2的奇数倍，则椭圆偏振光变为圆偏振光；若两个正交振动的相位差等于p的整数倍，则椭圆偏振光变为线偏振光。,说明：,椭圆偏振光可以看作是振幅不相等、振动方向正交、相位差恒定的两个同频率线偏振光的合成。其中正号对应右旋，负号对应左旋。,圆偏振光可以看作是振幅相等、振动方向正交、相位相差p/2的两个同频率线偏振光的合成。其中正号对应右旋，负号对应左旋。,1.3.1完全偏振光,1.3自然光与偏振光,1光波、光线与光子,任一原子或分子的任一次辐射波列都具有恒定的振动方向一列振动面确定的线偏振光,时间分布的均匀性表明各个光矢量的初相位取0到2p之间的任意值,空间分布的均匀性表明光矢量的偏振面包含各种方向且各个方向的平均大小相同,光源的发光机制：,1.3自然光与偏振光,1光波、光线与光子,1.3.2自然光(完全非偏振光),自然光：偏振面具有各种不同取向且相位随机分布的平面偏振光之集合,说明：自然光实际上可分解成两个强度相等、振动方向正交但相位各自随机变化的线偏振光,注意：构成自然光的两个线偏振光分量的相位各自独立地随机变化，因此不能再合成为一个单一矢量,1.3.2自然光(完全非偏振光),1.3自然光与偏振光,1光波、光线与光子,特点：光振动强度沿两个正交方向的时间平均值不相等，并且在某一方向取极大值Imax时，其正交方向正好取极小值Imin,P=0：自然光P=1：线偏振光0P|E1p|；|E2s|E2p|。,自然光入射时，反射光和透射光均为部分偏振光。,圆偏振光入射时，反射光和透射光均为椭圆偏振光。,线偏振光入射时，反射光和透射光仍为线偏振光，但振动面相对于原入射光有一定偏转。,1.3.4菲涅耳公式,1.3自然光与偏振光,1光波、光线与光子,定义：外反射：自然光以入射角i1由介质1进入介质2时的反射内反射：自然光以入射角i2由介质2进入介质1时的反射,取：振幅外反射比：rs、rp，振幅外透射比：ts、tp振幅内反射比：rs、rp，振幅内透射比：ts、tp,托克斯倒易关系：,(1.3-3b),(1.3-3a),1.3自然光与偏振光,1光波、光线与光子,1.3.5斯托克斯倒易关系,斯托克斯倒易关系的证明：,由能量守恒定律得：,无论是s分量还是p分量，其内反射与外反射的振幅反射比大小相等，符号相反，相应的振幅透射比（ts与ts，tp与tp）总是符号相同。,结论：,1.3.5斯托克斯倒易关系,1.3自然光与偏振光,1光波、光线与光子,布儒斯特角：折射光线与反射光线方向正交时的入射角iB,布儒斯特定律：入射角等于布儒斯特角iB时，反射光只存在偏振面垂直于入射面的偏振分量（即s分量）,(1.3-4),若n1=1，则,数学表示：,1.3自然光与偏振光,1光波、光线与光子,1.3.6布儒斯特定律,自然光以布儒斯特角入射时，反射光为振动面垂直于入射面（s分量）的线偏振光，透射光变为部分偏振光。,说明：,线偏振光以布儒斯特角入射时，若其振动面与入射面垂直，则反射光和透射光均为振动面垂直于入射面的线偏振光；若入射光振动面与入射面平行，则反射光强度为0，即全部透射。,圆偏振光以布儒斯特角入射时，反射光仍为振动面垂直于入射面（s分量）的线偏振光，透射光变为椭圆偏振光。,1.3.6布儒斯特定律,1.3自然光与偏振光,1光波、光线与光子,玻片堆特点：可对入射光的偏振态及振幅进行调制。,玻片堆的应用：起偏器，检偏器，偏振分束器，偏振激光器等。,1.3.6布儒斯特定律,1.3自然光与偏振光,1光波、光线与光子,忽略玻璃吸收,表述：透过检偏器（如玻片堆）的线偏振光的强度正比于光的偏振方向与检偏器的起偏方向间夹角的余弦平方,(1.3-5),1.3自然光与偏振光,1光波、光线与光子,1.3.7马吕斯定律,应用：光调制,结论：,自然光自疏（快）介质向密（慢）介质正入射或掠入射时，反射光相对入射光存在半波损失（p相位突变），反之不存在。,斜入射情况下，反射光相对入射光的相位变化一般较为复杂，但经同一分界面的内、外反射所得两束反射光之间一定存在半波损失。,透射光在任何情况下都不存在半波损失。,1.3自然光与偏振光,1光波、光线与光子,1.3.8反射光与透射光的半波损失（相位突变）,强度反射率和强度透射率,强度反射率：,强度透射率：,问题：当i1，i20时，,(1.3-6),(1.3-7),1.3自然光与偏振光,1光波、光线与光子,1.3.9反射光与透射光的能量分配,问题的起因：光在不同介质中的传播速度不同，导致斜入射时透射光束的横截面与入射光束不同，而强度表示单位面积上的平均能流密度，并不是总的能流，故有可能不满足守恒定律。,1.3.9反射光与透射光的能量分配,1.3自然光与偏振光,1光波、光线与光子,光能流反射率和透射率,以s表示光束的横截面积，则光束的总能流W=Is。对于反射光，s=s，故有,对于透射光，s=(cosi2/cosi1)s，故有,(1.3-9),能量守恒定律：,(1.3-10),1.3.9反射光与透射光的能量分配,1.3自然光与偏振光,1光波、光线与光子,1.3.9反射光与透射光的能量分配,1.3自然光与偏振光,1光波、光线