Ch(光的偏振)精讲.ppt

15-1自然光与偏振光,一、光的偏振性（Polarization）,光是电磁波在人眼视觉范围内的波段0.4m0.7m。对应红、橙、黄、绿、青、蓝、紫光。,电磁波是横波,由光的振动方向带来的特性，称作光的偏振性。,光的生理作用，感光现象，实际都是电矢量在起作用。,第十五章光的偏振（PolarizationofLight）,二、光偏振态的分类,自然光：在垂直于传播方向的平面内，若光矢量E在所有方向上是均匀轴对称分布的，称为自然光。,2.线偏振光：只含单一方向光振动的光。也称完全偏振光、平面偏振光,迎光矢量图,可沿两个方向分解,3.圆偏振光和椭圆偏振光：光矢量末点的运动轨迹是圆、正椭圆或斜椭圆。在迎光矢量图上，光矢量端点沿逆时针方向旋转的称为左旋偏振光；沿顺时针方向旋转的称为右旋偏振光。,4.部分偏振光：某一方向振动比另一方向振动强自然光加线偏振光、自然光加椭圆偏振光、自然光加圆偏振光，都是部分偏振光。,线偏光,圆偏振光与椭圆偏振光可由互相垂直的振动叠加而成。,15-2起偏和检偏马吕斯定律,一、偏振片的起偏和检偏,偏振片：“二相色性”的有机晶体，如硫酸碘奎宁、电气石或聚乙烯醇薄膜在碘溶液中浸泡后，在高温拉伸、烘干，然后粘在两个玻璃片之间就形成了偏片。它有一个特定的方向，只让平行与该方向的振通过。,制作：透明基片上蒸镀一层晶粒。,起偏和检偏例：P1是起偏片,P2是检偏片。P2旋转，当P2与P1的透光轴平行时，透射最强。反之，当P2与P1的透光轴垂直时，无透射消光现象。其它情况，介于二者之间。旋转一周过程中，出现两次最亮，两次最暗。其它情况随旋转而变化，变化的规律服从“马吕斯定律”。,(2)起偏器：能由自然光获得线偏振光的器件。,(3)检验器：用作检测是否是偏振光的器件。,起偏与检偏,一束光强为的线偏光，透过检偏器以后，透射光强为：,为线偏光的光振动方向与检偏器透振方向间的夹角。,二、马吕斯定律(E.L.Malus)（1808年）,法国物理学家，巴黎科学院院士。1808年确定了马吕斯定律，发现反射时光的偏振。1811年发现折射时光的偏振现象。提出确定晶体光轴的方法，研制出一系列偏振仪器。,例题1光强为I0的自然光通过两透振方向夹角为45度的偏振片，之后光强为多少？,解：经第一偏振片后，光强变为：,故经第二偏振片后，光强变为：,一束光强为的自然光透过起偏器，透射光强为：,例题2强度为Ia的自然光与Ib的线偏振光混合而成一束入射光，垂直照射到一偏振片上，如以入射光的方向为轴旋转偏振片时，出射光出现的最大值与最小值之比为n，求：Ia/Ib与n的关系,解：,由题意知：,则有：,即：,例题3自然光入射到叠放在一起的两个偏振片后，透射光强是最大透射光强的1/3，求两偏振片透振方向的夹角；(2)透射光强是自然光强的1/3，求两偏振片透振方向的夹角。,解:(1),(2),例题4：光强的调制。在透振方向正交的起偏器M和检偏器N之间，插入一片以角速度旋转的理想偏振片P，入射自然光强为I0，试求由系统出射的光强是多少？,每旋转偏振片P一周，输出光强有“四明四零”。,t=00,900,1800,2700时，输出光强为零。,t=450,1350,2250,3150时，输出光强为I0/8。,15-3反射和折射光的偏振,一、反射与折射的偏振,马吕斯的发现（1808年），如图所示：,其中a为自然光，b,c为部份偏振光,b中，多于（指光振动而言）,c中，多于（指光振动而言）,二、布儒斯特定律：（D.Brewster1812),当入射角满足：,这实验规律可用电磁场理论的菲涅耳公式解释。,时，反射光为振动方向垂直入射面的完全偏振光。,临界角布儒斯特角（起偏角）,注意：反射光是垂直入射面的线偏振光，但其光强很弱，只是入射光中垂直振动的一小部分。而折射光是偏振化程度不高的部分偏振光，但是很强。,证明：由折射定律：,即反射光线与折射光线垂直。,三、推论：,又由布儒斯特定律：,所以,例如：自然光从空气中以i0入射玻璃（n2=1.50）时，反射所获得的线偏光仅占入射自然光总能量的7.4%，而约占入射垂直振动部分能量的15。,布儒斯特：（D.Brewster1781-1868）英国物理学家，伦敦皇家学会会员，爱丁堡大学校长。1815年发现圆偏振，1816年发明万花筒，1818年发现双轴晶体，1826年制成马蹄形电磁铁。,在玻璃片下表面处的反射，其入射角33.70也正是光从玻璃射向空气的起偏振角，所以反射光仍是垂直于入射面振动的偏振光。,为了增加折射光的偏振化程度，可采用玻璃片堆的办法。一束自然光以起偏角56.30入射到多层平板玻璃上，如图：,三、玻璃片堆,1.利用反射和折射时的偏振可以做起偏和检偏。,2.测不透明介质的折射率,应用：,例题1已知某材料在空气中的布儒斯特角i0=58，求它的折射率？若将它放在水中（水的折射率为1.33），求布儒斯特角？该材料对水的相对折射率是多少？,解：设该材料的折射率为n，空气的折射率为1,放在水中，则对应有,所以：,该材料对水的相对折射率为1.2。,15-4光的双折射现象,一、晶体的双折射现象,1669年，（丹麦）巴托莱纳斯（E.Bartholinus)无意将一块冰洲石（即完全透明的方解石CaCO3（碳酸钙）放在书上发现书上每个字都成双像。10年后，惠更斯重新分析了上述现象，认为通过方解石看书一个字有两个像，表明一束光进入方解石后分裂成两束光沿不同方向折射变成了两束光。惠更斯把这种现象称为双折射现象。现在知，除立方系（岩盐）外，一般晶体都会产生光的双折射现象。,S,S,方解石晶体,实验一,实验二,在各向同性的介质中S是点物S的象,天然的方解石晶体是光学各向异性的双折射晶体。,A,B,1.现象：,2.特点：,(2)光轴O光和e光传播速度相同的特殊方向，沿光轴方向不发生双折射现象。晶体中，有无穷多个光轴。,光轴,(1)两束光都是线偏振光，但光振动方向不同：,寻常光（O光Ordinary）：遵守折射定律，始终在入射面内传播。光振动方向垂直自己的主平面（见下页解释）。,非常光（e光Extra-ordinary）：不遵守折射定律，它的折射率随方向而变化，且不一定在入射面内传播。光振动方向在自己的主平面内。,具有一个光轴的晶体，称为单轴晶体。例如：方解石、石英等。,具有两个光轴的晶体，称为双轴晶体。例如：云母、硫黄等。,O光振动方向垂直于其主平面。,e光振动方向平行于其主平面。,(4)主平面：光线与光轴组成的平面为主平面,理论和实验证明,实验证实：当且仅当光轴在入射面内时，O光、e光的主平面就都与入射面重合，它们均在入射面内传播，其振动方向才相互垂直。,仅当沿光轴方向入射，O光和e光具有相同的折射率和相同的波速，因而无双折射现象。,(5)一般O光和e光传播速度不同：O光沿不同方向传播速率相同，e光沿不同方向传播速度不同。,用惠更斯原理解释光的双折射现象,惠更斯原理：,O光在晶体内任意点所引起的波阵面是球面。即具有各向同性的传播速率。,e光在晶体内任意点所引起的波阵面是旋转椭球面。沿光轴方向与O光具有相同的速率。,e光波面,O光波面,光轴方向,负晶如方解石CaCO3,e光波面,O光波面,光轴方向,正晶如石英SiO2,凡属nOVe晶体称为正晶。,凡属nOne主，即VOVe晶体称为负晶。,e光在垂直于光轴方向上的传播速率Ve,在该方向的折射率ne主。,e光在其它方向上的折射率在nOne主之间。,对波长为589.3纳米的钠黄光,为简略以下使用,平行光倾斜入射，光轴在入射面内，光轴与晶体表面斜交,光轴,A,F,E,e,O,e,O,如果光轴不在入射面内，球面和椭球面相切的点，就不会在入射面内，则O光、e光振动方向并不相互垂直。,平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴与晶体表面斜交,光轴,A,E,O,e,B,F,E,F,出射两束偏振方向相互垂直的线偏光,平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴平行晶体表面,光轴,A,E,e,B,F,E,F,O,具有相互垂直的偏振方向,出射光沿同方向传播,二、尼科耳棱镜,A,C,N,M,光轴在ACNM平面内方向与AC成480，入射面取ACNM面,两块特殊要求加工的直角方解石，如图：,加拿大树胶的折射率n=1.55，O光入射角大于其临界角arcsin(1.55/1.658)=69012，被全反射，在CN处为涂黑层所吸收。,出射偏振方向在ACNM平面内的偏振光。,e,760,O,方解石