太原理工大学-光的偏振

1、1光的偏振（polarization of light）2光的干涉和衍射现象显示了光的波动特性，但还不能完全断定光是纵波还是横波。 光的偏振现象从实验上清楚地显示出光的横波性，这一点与光的电磁理论的预言一致。 偏振光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象。只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。 利用光的偏振现象发明了立体电影，照相技术中用于消除不必要的反射光或散射光。光在晶体中的传播与偏振现象密切相关，利用偏振现象可了解晶体的光学特性，制造用于测量的光学器件，以及提供诸如岩矿鉴定、光测弹性及激光调制等技术手段。 3光是电磁波在人眼视觉范围内的波段 400n

2、m 760nm，对应红、橙、黄、绿、青、蓝、紫光。电磁波是横波研究光的振动方向的特性即光的偏振性。 光的生理作用、感光现象，实际是电矢量（电场强度E矢量）在起作用。通常把电矢量E 称为光矢量,把电矢量E的振动称为光振动。1 光的偏振态4简化合成两个相互垂直的方向.纸面内的光振动垂直纸面的光振动|均等分布。对自然光 偏振光部分偏振光完全（线）偏振光E 没有优势方向自然光的分解5某些物质对于光的互相垂直的分振动具有选择吸收的性能二向色性人造偏振片偏振化方向容许光振动矢量通过的方向。自然光通过偏振片偏振光起偏明明,但减弱=/2暗如果入射光是部分偏振光,旋转偏振片,透射光有明暗变化,但不会出现全暗;入

3、射光是自然光,透射光无明暗变化检偏。2 偏振片的起偏和检偏如果入射光是完全（线）偏振光6起偏和检偏7.cos002III线偏振光，透射光强强度为证:0NM偏振片的偏振化方向。是其振幅。入射光振动方向，ONAOM0将A0分解成A0cosA0sinA0A0cosA0sin（透射光振幅）的光矢量分量能通过只有平行于AAONcos0设：透射光强I，入射光强I02AI2202202020coscosAAAAII20cosII 马吕斯定律8解:(1)自然光通过偏振片A,光强被吸收一半,有:.2101II .818160cos210200202IIIII，020130cos)2(II 02020021260

4、cos30cos60cosIII16302II）（考虑吸收1 . 013002cos01,)3( II) 1 . 01 (60cos0212 II%2 .1502IIN1N2600I0I1I2例：有两块偏振片A和B,偏振化方向的夹角为600。(1)入射光是自然光,设偏振片无吸收,求穿过A和B后的透射光与入射光的光强比;(2)入射光是线偏振光,振动方向与第一块偏振片的偏振化方向的夹角为300,求穿过A,B后透射光与入射光的光强比;(3)如果偏振片的吸收系数为0.1,再求(2)的结果.9 光的偏振现象在技术中有很多应用。例如拍摄水下的景物或展览橱窗中的陈列品的照片时，由于水面或玻璃会反射出很强的反

5、射光，使得水面下的景物和橱窗中的陈列品看不清楚，摄出的照片也不清楚如果在照相机镜头上加一个偏振片，使偏振片的透振方向与反射光的偏振方向垂直，就可以把这些反射光滤掉，而摄得清晰的照片；此外，还有消除车灯眩光、立体电影等等。偏振片的应用10 1.拍摄玻璃窗内的物体时，用偏振片去掉反射光的干扰 112. 汽车夜间行车时为避免对方汽车灯光晃眼以保证行驶安全，可以在所有汽车的车窗玻璃和车灯前装上与水平方向成45角，而且向同一方向倾斜的偏振片。3. 偏振片可用于制成太阳镜和照相机的滤光镜。观看立体电影的眼镜片是由两个偏振化方向互相垂直的偏振片组成。12立体电影和偏振 你看过立体电影吗？你知道它的道理吗？它

6、就是应用光的偏振现象的一个例子：在观看立体电影时，观众要戴上一副特制的眼镜，这副眼镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片这样，从银幕上看到的景象才有立体感如果不戴这副眼镜看，银幕上的图像就模糊不清了这是为什么呢？ 这要从人眼看物体说起人的两只眼睛同时观察物体，不但能扩大视野，而且能判断物体的远近，产生立体感这是由于人的两只眼睛同时观察物体时，在视网膜上形成的像并不完全相同，左眼看到物体的左侧面较多，右眼看到物体的右侧面较多，这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的前后、远近，从而产生立体视觉13 要看到立体电影，要在每架电影机前装一块偏振片，它的作用相当于起偏器从两架放映机射出的光，通过偏振片后，就

7、成了偏振光左右两架放映机前的偏振片的透振方向互相垂直，因而产生的两束偏振光的偏振方向也互相垂直这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众处，偏振方向不改变 观众用上述的偏振眼镜观看，每只眼睛只看到相应的偏振光图像，即左眼只能看到左机映出的画面，右眼只能看到右机映出的画面，这样就会像直接观看物体那样产生立体感觉这就是立体电影的原理立体电影 是用两个镜头如人眼那样从两个不同方向同时拍摄下景物的像，制成电影胶片在放映时，通过两台放映机，把用两台摄影机拍下的两组胶片同步放映，使这略有差别的两幅图像重叠在银幕上这时如果用眼睛直接观看，看到的画面是模糊不清的14in1n23 反射和折射的偏振 实验发现:反射光和

8、折射光一般都是部分偏振光,反射光中垂直于入射面的光振动占优.折射光中平行于入射面的光振动占优.n1n2i0当i为某一入射角i0时，反射光成为完全偏振光。120tannni 布儒斯特定律15两个相关结论两个相关结论1.入射角为i0时，折射光与反射光垂直。证：) 1 (sinsinsinsin120201nninin)2(120nntgi0cossin:2,1i）有（）联立（20in1水n2玻璃i000cot)2tan(tanii120tannni 210tan1nni所以，光从玻璃向水界面入射时的布儒斯特角就是光从水向玻璃界面入射时的图中所示的折射角。2.光从水向玻璃界面入射时的布儒斯特角为i0

9、，问光从玻璃向水界面入射时的布儒斯特角为多少？16玻璃堆光从空气射向玻璃012057)15 . 1arctan()arctan(nni线偏振光0i17 巴托林（Erasmus Bartholin）（1625698）出生在丹麦罗斯基勃的一个医生世家。他也像他的父亲和兄弟一样都是医生，同时他在数学和物理学上也有贡献。从1657年到去世，他在丹麦的哥本哈根大学任医学教授。但使巴托林闻名于科学史的事迹却与医学无关，而是在物理学上的研究工作。 物理史话 双折射 1669年，巴托林得到了一块冰洲石。这是出产于冰岛的方解石。他发现，用冰洲石看到的像都是双像。巴托林注意到，光线经过冰洲石变成了两条光线，他称这

10、种折射现象为双折射。巴托林还发现，当固定一个像时，另一个像围绕着它旋转。巴托林将这两条光线中固定像和“旋转像”对应的光线分别称为寻常光线和非寻常光线。 看上去，双折射现象没有什么神奇的地方，但巴托林自己不能解释它，他认为这与牛顿的光学理论是矛盾的。其实当时光的波动说也不能解释，直到半个世纪之后，新的波动说才解释了这种现象。184 光的双折射 一束入射光经某些晶体折射后可分成两束光线的现象称为双折射。1. 寻常光和非常光 实验表明，双折射现象中的两束折射光线都是线偏振光，分别称为寻常光和非常光。寻常光（o光）： 遵从折射定律oninsinsin21非常光（e光）: 一般不遵从折射定律常数eisi

11、n/sin折射面与入射面不一定重合。 19 用偏振片检查o光和e光，发现它们都是偏振光，但振动方向不一样，为了便于描述o光和e光的偏振情况及其相互关系，需要引入几个与晶体有关的概念。(1)光轴o光在晶体中各方向上速度相同,折射率n=c/u相同;e光各向速度不同,折射率不同.在晶体中有一个确定的方向, o光和e光沿此方向传播速度相等,折射率相等,不发生双折射.o光折射率:00vcn e光折射率:eecnv注意：光轴仅标志一定的方向，并不限于某一条特殊的直线。双折射的实质是o光和e光在晶体中的传播速度不同。201.在光轴方向 e光的速度等于o 光速度，即等于vo2.在垂直光轴方向 o光e光两个速度

12、差别最大; 与o光速度差别最大的速度记做ve, 且ve为常数。v0 ve并且有以下两种情况(2)负晶与正晶凡属v0 ne）晶体称为负晶。凡属v0 ve ，（即n0 ne） 晶体称为正晶。定义： eecnv为晶体对e光的主折射率，即e光在垂直于光轴方向的折射率。 给出两个实验事实：21方解石 1.4864 1.6584石英 1.5534 1.5443（对波长为589.3nm的钠黄光）enon方解石晶体（负晶）CaCO3石英（正晶）22光轴在入射面内光轴垂直入射面o光的子波面 一定是球面e光的子波面 肯定不是球面 是什么样呢?o光的子波面e光的子波面e光的子波面是以光轴为轴的旋转椭球面v0 veo

13、光在晶体中各方向上速度相同,e光各向速度不同。思考在垂直光轴方向, o 光e 光两个速度差别最大.e光垂直于光轴方向的传播时，ve为常数。23o光振动方向垂直于该光线（在晶体中）与光轴组成的平面。 e光振动方向平行于该光线（在晶体中）与光轴组成的平面。即o光振动方向垂直于主平面。即e 光振动方向在主平面内。(3)主平面光线与光轴组成的平面叫该光线的主平面ydxAAoAe 线偏振光线偏振光光轴光轴 通过厚为通过厚为d的晶片，的晶片，o、e光产生光产生和和：dnnoe AAoAe 光轴光轴cos;sinAAAAeo在晶体中在晶体中 振幅关系振幅关系 e oe o光轴光轴晶体晶体两束线偏振光两束线偏

14、振光- -传播方相同、振动方向相传播方相同、振动方向相互互垂直垂直、相位差固定相位差固定为为 。 2 线偏振光入射线偏振光入射! (1) 四分之一波片四分之一波片4 dnnoe时时当当4 出射的出射的两个线偏振光合成：两个线偏振光合成：入射：入射：线线偏振光偏振光时时当当4 椭圆偏振光椭圆偏振光eAAo AAoAe 光轴光轴AeAoeAA 0 cos;sinAAAAeo 出射出射：振动方向相互垂直、振动方向相互垂直、同频率、同频率、有一定位相差有一定位相差的两个的两个线线偏振光偏振光圆偏振光圆偏振光dnnoe22 2, 0时当入射晶体前：入射晶体前：线线偏振光偏振光出射晶体时出射晶体时(2)

15、(2) 二分之一波片二分之一波片2 dnnoe线偏振光振动面转过线偏振光振动面转过2 角度角度 A0入入A0出出A入入A出出Ae入入= Ae出入出入光轴光轴(3) (3) 全波片全波片 dnnoe线偏振光振动面不变线偏振光振动面不变 2 光轴光轴A入入A0入入Ae入入Ae入入=A出出A0出出Ae入入= Ae出入出入入射晶体前：入射晶体前：线线偏振光偏振光出射晶体时出射晶体时入射晶体前：入射晶体前：线线偏振光偏振光出射晶体时出射晶体时 0时当（e e）线偏振光）线偏振光入射：入射：线线偏振光偏振光 AAoAe光轴光轴出射出射：线线偏振光偏振光0;eoAAA0;0AAAe 2时当（O O）线偏振光

16、）线偏振光 2, 0时当线偏振光以线偏振光以 =45经经 波片波片(Eo=Ee )时时,出射出射圆圆偏振光偏振光.4 2）线偏振光线偏振光经经 波片时波片时,4 线偏振光经线偏振光经 波片时波片时,出射线偏振光出射线偏振光.其振动面转过其振动面转过2 角。角。2 1）经过波片后经过波片后,仍然仍然为自然光或部分偏振光为自然光或部分偏振光.波片的性质：波片的性质：线偏振光以线偏振光以 =90 ，0经经 波片时波片时,出射出射线线偏振光偏振光.4 线偏振光以线偏振光以任意角度任意角度经经 波片时波片时,出射出射椭圆椭圆偏振光偏振光.4 CCM MeEoE光轴光轴方向方向偏振偏振方向方向线偏光垂直通

17、过波片后的偏振态线偏光垂直通过波片后的偏振态d 出射光的偏振态出射光的偏振态波长片波长片 任意任意 与入射光偏振态相同与入射光偏振态相同任意任意 00或或900 与入射光偏振态相同与入射光偏振态相同1/2波片波片 出射线偏光振动方向与入射光出射线偏光振动方向与入射光 振动方向对于光轴对称，两者间夹角振动方向对于光轴对称，两者间夹角2 1/4波片波片450 圆偏振光圆偏振光 00或或900 线偏光线偏光 00 900 450 椭圆偏光椭圆偏光非波片非波片 00 450非半波片非半波片 900 =450非波片非波片非半波片非半波片非非1/4波片波片椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光一束光垂直

18、通过一偏振片，当偏振片旋转一圈，发现一束光垂直通过一偏振片，当偏振片旋转一圈，发现光强没有变化，则可以判定这束光是光强没有变化，则可以判定这束光是A.自然光自然光B.自然光或圆偏振光自然光或圆偏振光C.线偏振光线偏振光 D.部分偏振光部分偏振光E. 椭圆偏振光或部分偏振光椭圆偏振光或部分偏振光F. 以上都不对以上都不对#1a1203002c将旋转的检偏器对某一种光作检查，旋转一圈时发将旋转的检偏器对某一种光作检查，旋转一圈时发现有两个明亮的方位和两个较暗的方位，该光不可现有两个明亮的方位和两个较暗的方位，该光不可能是能是： A. 线偏振光线偏振光 B. 椭圆偏振光椭圆偏振光C. 部分偏振光部分

19、偏振光 D. 自然光自然光 #1a1203002d 一束偏振光，可能是圆偏振光也可能是椭圆偏振一束偏振光，可能是圆偏振光也可能是椭圆偏振光或线偏振光。垂直入射在偏振片光或线偏振光。垂直入射在偏振片P P上，以入射光上，以入射光线为轴转动线为轴转动P P，观察通过，观察通过P P的光强变化过程。若看的光强变化过程。若看到明暗交替变化，有时出现全暗，则入射光是到明暗交替变化，有时出现全暗，则入射光是A. 线偏振光线偏振光B. 圆偏振光圆偏振光C. 椭圆偏振光椭圆偏振光D. 无法判断无法判断#1a1203012a 一束偏振光，可能是圆偏振光也可能是椭圆偏振一束偏振光，可能是圆偏振光也可能是椭圆偏振光

20、或线偏振光。垂直入射在偏振片光或线偏振光。垂直入射在偏振片P P上，以入射光上，以入射光线为轴转动线为轴转动P P，观察通过，观察通过P P的光强变化过程。若看的光强变化过程。若看到光强不变，则入射光是到光强不变，则入射光是A. 线偏振光线偏振光B. 圆偏振光圆偏振光C. 椭圆偏振光椭圆偏振光D. 无法判断无法判断#1a1203012b 一束偏振光，可能是圆偏振光也可能是椭圆偏振一束偏振光，可能是圆偏振光也可能是椭圆偏振光或线偏振光。垂直入射在偏振片光或线偏振光。垂直入射在偏振片P P上，以入射光上，以入射光线为轴转动线为轴转动P P，观察通过，观察通过P P的光强变化过程。若看的光强变化过程

21、。若看到明暗交替变化，但不出现全暗，则入射光是到明暗交替变化，但不出现全暗，则入射光是A. 线偏振光线偏振光B. 圆偏振光圆偏振光C. 椭圆偏振光椭圆偏振光D. 无法判断无法判断#1a1203012c当用检偏器旋转观察一束光时，发现光强当用检偏器旋转观察一束光时，发现光强无变化无变化。在检偏器前置在检偏器前置/4波片后，再旋转检偏器一周，可看波片后，再旋转检偏器一周，可看到两次消光，这束光是到两次消光，这束光是 A.自然光自然光B.椭圆偏振光椭圆偏振光C.自然光与线偏振的混合自然光与线偏振的混合D.圆偏振光圆偏振光E.部分偏振光部分偏振光F.线偏振光线偏振光#1a1203012d当用检偏器旋转

22、观察一束光时，发现光强当用检偏器旋转观察一束光时，发现光强有变化有变化，但是没有消光现象。在检偏器前置但是没有消光现象。在检偏器前置/4波片后，并使波片后，并使光轴与检得的暗方位相重合，再旋转检偏器一周，光轴与检得的暗方位相重合，再旋转检偏器一周，可看到两次消光，这束光是可看到两次消光，这束光是 A.自然光自然光B.椭圆偏振光椭圆偏振光C.自然光与线偏振的混合自然光与线偏振的混合D.圆偏振光圆偏振光E.部分偏振光部分偏振光F.线偏振光线偏振光#1a1203012e 入射入射线线偏振光偏振光 通过通过后后时时当当4 圆偏振光圆偏振光AAoAe 光轴光轴P0,4 2 椭圆偏振光椭圆偏振光线线偏振光偏振光入射入射圆圆偏振光偏振光 或或椭椭圆偏振光圆偏振光通过通过四分之一波片四分之一波片后后思思考考使用一个使用一个四分之一四分之一波片和一个偏振片，如何区分波片和一个偏振片，如何区分自然光和圆偏光自然光和圆偏光；部分线偏光和椭