大学物理课件第17章 波动光学3（光的偏振）

制作者:贾福超张静华,普通高等教育“十一五”国家级规划教材大学物理（第二版）袁玉珍陈钦生张化福主编第17章波动光学,17.4光的偏振,2.偏振片马吕斯定律布儒斯特定律晶体的双折射光轴与主平面,3.光的偏振态的检定,偏振光的干涉,1.光的偏振性与横波性光的种偏振态,主要内容,17.4.1光的偏振状态光矢量在与光传播方向垂直的平面内的振动状态。,横波的偏振性,振动面：光矢量E与传播方向组成的平面。,偏振:E的振动方向对传播方向的不对称性。,面光矢量振动,（只有横波才有偏振现象）,17.4光的偏振,五种偏振态:自然光线偏振光部分偏振光椭圆偏振光,圆偏振光,(1)自然光,分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光,自然光的表示法：,17.4.1光的偏振状态,(2)线偏振光,线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解,线偏振光的表示法：,17.4.1光的偏振状态,(3)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、不等幅的、不相干的线偏振光,部分偏振光的表示法：,17.4.1光的偏振状态,当迎着光线看振动矢量末端轨迹是椭圆或圆，这样的偏振光称为椭圆偏振光和圆偏振光。任一时刻振动仍在一个方向上。,形成的原因：两个相互垂直的线偏振光的叠加,14-3节我们讨论过相互垂直的振动叠加。若两个频率相同，振动方向垂直，相位差固定的振动叠加时，合成后的轨迹是椭圆或是圆。,(4)椭圆偏振光和圆偏振光,17.4.1光的偏振状态,1.反射和折射光的偏振,反射和折射过程会使入射的自然光一定程度的偏振化,17.4.2线偏振光的获得:,17.4.2线偏振光的获得:,利用玻璃片堆产生线偏振光,最后获得两束振动面互相垂直的线偏振光,17.4.2线偏振光的获得:,2.双折射现象,对于各向异性晶体，一束光射入晶体后，可以观察到有两束折射光的现象。,寻常光线(o光)-遵守折射定律,非常光线(e光)-不遵守折射定律,o光和e光都是线偏振光。,17.4.2线偏振光的获得:,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,17.4.2线偏振光的获得:,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,17.4.2线偏振光的获得:,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,17.4.2线偏振光的获得:,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,17.4.2线偏振光的获得:,晶体的光轴与主平面,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。,“光轴”是一特殊的“方向”,不是指一条直线。凡平行于此方向的直线均为光轴。,单轴晶体：只有一个光轴的晶体,双轴晶体：有两个光轴的晶体,17.4.2线偏振光的获得:,主平面：晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面,o光的振动面垂直于o光的主平面,e光的振动面在e光的主平面内,17.4.2线偏振光的获得:,光在晶体中的波面,单轴晶体中的波面：(1)在各向同性介质中，点光源的波阵面是球面，单轴晶体中，o光的波面也是球面。(2)在单轴晶体中，e光的波面是以光轴为转轴的旋转椭球面.即:e光沿各个方向的速度不同，沿光轴方向的速度也为O；沿垂直于光轴方向的速度与vo差别最大，以e表示；沿其它方向的光速介于o与e之间。(3)把o光、e光在单轴晶体内的波面画在一起，则两个波面在光轴方向处相切。,17.4.2线偏振光的获得:,有两种类型的双折射晶体VoVe，(垂轴之间的e光波速为Ve),则称正晶体：石英，椭球波面内切于球面波面之内。vove,称负晶休，以冰洲石，方解石，椭球波面外切于球面波面之外。,17.4.2线偏振光的获得:,3.由二向色性产生的线偏振光二向色性晶体：具有选择性吸收的性质.例:电气石,它有特殊的方向称为“光轴”,沿光轴方向振动的光几乎不吸收，对垂直于光轴方向振动的光强烈吸收。光轴可理解为“透光轴”。把能透过电矢量振动的方向称为它的透振方向。偏振片：利用人工方法制造二向色性多晶薄膜。,17.4.2线偏振光的获得:,偏振片的起偏和检偏,起偏：使自然光（或非偏振光）变成线偏振光的过程。,检偏：检查入射光的偏振性。,I不变？是什么光,I变，有消光？是什么光,I变，无消光？是什么光,17.4.3.马吕斯定律,起偏器：选择自然光中一束平面偏振光，摒弃另一束平面偏振光,起偏器,17.4.3.马吕斯定律,I=I0/2,I=？,17.4.3.马吕斯定律,马吕斯定律（1809）,消光,-线偏振光的振动方向与检偏器的偏振化方向之间的夹角。,例17-11若自然光的光强为,让它通过两个偏振化方向成角的平行放置的偏振片,求透过第二个偏振片的光强.,解：自然光通过第一个偏振片后成为线偏振光,其光强为应为入射自然光的一半,即:,根据马吕斯定律,透过第二个偏振片的光强为,17.4.3.马吕斯定律,例17-12用尼科尔棱镜观察部分偏振光，当尼科尔棱镜相对于最大光强位置转过600角时，光强减弱为一半。试求组成此部分偏振光的自然光和线偏振光的强度之比。,解：设自然光光强为I0偏振光光强为I。,光强最大时，偏振光振动方向与棱镜的偏振化方向相同。,当尼科尔转过600时，光强减为一半。,两式联立得：,强度之比1：1,17.4.3.马吕斯定律,（1）什么是椭圆偏振光和圆偏振光？当迎着光线看振动矢量末端轨迹是椭圆或圆，这样的偏振光称为椭圆偏振光和圆偏振光。任一时刻振动仍在一个方向上。,形成的原因：两个相互垂直的线偏振光的叠加,14-3节我们讨论过相互垂直的振动叠加。若两个频率相同，振动方向垂直，相位差固定的振动叠加时，合成后的轨迹是椭圆或是圆。,17.4.4椭圆偏振光和圆偏振光,（2）椭圆偏振光和圆偏振光的产生方法,一束偏振光入射到光轴平行于晶体表面、厚度为d的晶体上。也可分成o光和e光，且两光相位恒定，振动方向垂直。,相位差：,相位差决定于晶体厚度,自然光入射到晶体上可分成o光和e光，但这两束光相位是不断变化的不能叠加为椭圆和圆。,17.4.4椭圆偏振光和圆偏振光,波片,o光和e光两光叠加形成正椭圆偏振光；若o光和e光振幅相同，即=450则为圆偏振光。,波片,o光和e光两光叠加形成线偏振光。,注意：波片的厚度是与波长对应的，不同的光波有不同厚度的1/4波片或1/2波片。,17.4.4椭圆偏振光和圆偏振光,17.4.5偏振光的检验,1.利用检偏器（偏振片或偏光棱镜）检偏的原理自然光（经偏振片）变成线偏振光；旋转检偏器，光强无变化线偏振光（经偏振片）变成线偏振光；旋转检偏器，光强有变，且有消光现象.部分偏振光（经偏振片）变成线偏振光；旋转检偏器，光强有变，但无消光现象.圆偏振光（经偏振片）变成线偏振光；旋转检偏器，光强无变，如同观察自然光.椭圆偏振光（经偏振片）变成线偏振光；旋转检偏器，光强变化，无消光现象，如同观察部分偏振光。,结论:五种偏振态的光波通过（检偏器）透射光均为线偏振光；仅由一个检偏器，只能把线偏振光区分开来；仅由一个检偏器，无法区分自然光和圆偏振光，也无法区分部分偏振光和椭圆偏振光,17.4.5偏振光的检验,2.五种偏振光的光通过波片后，偏振态的变化,自然光变成自然光部分偏振光变成部分偏振光线偏振光变成正椭圆偏振光(0o,45o,90o)圆偏振光(45o)线偏振光（0o,90o)圆偏振光变成线偏振光正椭圆偏振光变成线偏振光,17.4.5偏振光的检验,分两步：先用一只检偏器区分线偏振光，虽然一只检偏器无法区分自然光与圆偏振光，无法区分部分偏振光椭圆偏振光，但可把二者归为一组。再借助片和检偏器进一步区分自然光和圆偏振光，部分偏振光和椭圆偏振光,3.五种偏振态的检定:（用一只检偏器和一个已知光轴的片）,17.4.5偏振光的检验,方法：在检偏器之前插入片，旋转检偏器看光强如何变化？,第一组：自然光经四分之一波片变成自然光，旋转检偏器光强无变化圆偏振光经四分之一波片变成线偏振光，旋转检偏器光强变化，且有消光现象第二组：部分偏振光经四分之一波片变成部分偏振光，旋转检偏器，光强变化但无消光现象正椭圆偏振光经四分之一波片变成线偏振光，旋转检偏器，光强有变化且有消光现象（令长短轴分别平行、垂直于波片的光轴）,17.4.5偏振光的检验,1.实现平行线偏振光干涉的实验装置,17.4.6偏振光的干涉,由P2出射的e光、o光两相干光的光程差为：,2.平面偏振光干涉的强度分布,(1)如图：光强为,17.4.6偏振光的干涉,17.4.6偏振光的干涉,(2)讨论：,1)晶片厚度均匀,出射的光线有相同的位相差，屏幕上光强