Ch光的偏振精讲实用实用教案

1、二、光偏振(pin zhn)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(jnyn)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(zhndng)的光。也称完全偏振光、平面偏振光x yyxIII 0021IIIyx XY 迎光矢量图可沿两个方向分解 第1页/共29页第一页，共30页。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(chn wi)左旋偏振光；沿顺时针方向旋转的称为(chn wi)右旋偏振光。4. 部分偏振光：某一方向(fngxing)振动比另一方向(fngxing

2、)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(pin un)圆偏振光与椭圆偏振光可由互相垂直的振动叠加而成。第2页/共29页第二页，共30页。15-2 起偏和检偏 马吕斯定律(dngl)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(rngy)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。 (1) 偏振片的透振方向：（偏振化方向）（透光轴） 用 “ ” 表示。例：制作(zhzu)：透明基片上蒸镀一层晶粒。 1P2P第3页/共29

3、页第三页，共30页。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(binhu)，变化(binhu)的规 律服从“马吕斯定律”。 (2) 起偏器：能由自然光获得(hud)线偏振光的器件。 1P2P(3) 检验(jinyn)器：用作检测是否是偏振光的器件。演演示示起偏与检偏第4页/共29页第四页，共30页。 20cosII 一束光强为 的线偏光，透过检偏器以后，透射光强为：0I 为

4、线偏光(pin un)的光振动方向与检偏器透振方向间的夹角。 cos0AA 22020cos AAII二、马吕斯定律(dngl) ( E. L. Malus ) （1808年） 1P2P 法国物理学家，巴黎科学院院士。1808年确定了马吕斯定律(dngl)，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。1P2P0A cos0AA 第5页/共29页第五页，共30页。例题(lt)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(dy)偏振片后，光强变为：201II 故经第二(d r)偏振片后，光强变为：

5、45cos21202II 041I 0I20IMo一束光强为 的自然光透过起偏器，透射光强为：0I2/0I第6页/共29页第六页，共30页。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(chxin)的最大值与最小值之比为 n，求： Ia/ Ib与 n 的关系解：baIII 2max2minaII 由题意(t y)知：nIIIaba 2/)2(则有：nIIab 21即：21 nIIab第7页/共29页第七页，共30页。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

6、片透振方向(fngxing)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(fngxing)的夹角。3/1cos2 07 .543/1arccos 3/2cos2 05 .353/2arccos 解: (1)mmIII31cos22 1P2P0I2ImI(2)021IIm 0202231cos21cosIIIIm 第8页/共29页第八页，共30页。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(lxing)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？NMttAA cossin)2/0 （出出)4cos1)

7、(16/(cossin)2/0220tIttII （出出)cos1(212sin 每旋转偏振片P 一周(y zhu)，输出光强有“四明四零”。t=00, 900, 1800, 2700时，输出(shch)光强为零。t = 450, 1350, 2250, 3150 时，输出光强为 I0/8 。P MNt P第9页/共29页第九页，共30页。15-3 反射(fnsh)和折射光的偏振一、反射与折射(zhsh)的偏振马吕斯的发现(fxin) （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.Brews

8、ter 1812)当入射角满足：21120nnntgi 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）0i1n2nabc0i1n2n 0i第10页/共29页第十页，共30页。注意：反射光是垂直入射面的线偏振光，但其光强很弱，只是(zhsh)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(zhsh)定律： sinsin201nin ,sinsin0120 inntgi 0cossini 90 ,9000 ii即即即反射光线与折射(zhsh)光线垂直。三、推论：0090 i又由布儒斯特定

9、律：所以1n2n0i 0i 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 。第11页/共29页第十一页，共30页。 布儒斯特：（D. Brewster 1781-1868） 英国物理学家，伦敦皇家(hungji)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。第12页/共29页第十二页，共30页。 在玻璃片下表面(biomin)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

10、振动的偏振光。 为了(wi le)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0i1.51.51.51.01.01.01.0第13页/共29页第十三页，共30页。1. 利用反射和折射(zhsh)时的偏振可以做起偏和检偏。 MnMN270000009001800nn2. 测不透明(tumng)介质的折射率120nntgi 应用(yngyng)：N27009001800n 第14页/共29页第十四页，共30页。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

11、角？该材料对水的相对(xingdu) 折射率是多少？解：设该材料(cilio)的折射率为 n ，空气的折射率为16 .1599.158tan1tan00 ni放在水中，则对应(duyng)有2 . 133. 16 . 1tan0 水水nni003 .50 i所以：该材料对水的相对折射率为1.2。第15页/共29页第十五页，共30页。15-4 光的双折射现象(xinxing)一、晶体(jngt)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

12、(xinxing)，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(xinxing)称为双折射现象(xinxing)。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(xinxing)。 第16页/共29页第十六页，共30页。SS方解石晶体(jngt)实验(shyn)一实验(shyn)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。AB1. 现象：第17页/共29页第十七页，共30页。2. 特点(tdin)： (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

13、现象。 晶体中，有无穷(wqing)多个光轴。光轴(1) 两束光都是线偏振光，但光振动 方向不同：)( E 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）。 ）（E 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。）（EAB第18页/共29页第十八页，共30页。具有一个光轴的晶体，称为(chn wi)单轴晶体。例如：方解石、石英等。具有两个光轴的晶体(jngt)，称为双轴晶体(jngt)。例如：云母、硫黄等。 O光振动(zhndng)方

14、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。第19页/共29页第十九页，共30页。 仅当沿光轴方向入射，O 光和 e 光具有相同(xin tn)的折射率和相同(xin tn)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(b tn)： O 光沿不同(b tn)方向传播速率相同， e 光沿不同(b tn)方向传播速度不同(b tn)。第20页/共29页第二十页，共30页。 用惠更斯原理(y

15、unl)解释光的双折射现象惠更斯原理(yunl)：O 光在晶体内任意点所引起的波阵面是球面。即具有(jyu)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CaCO3e 光波面O光波面光轴方向正晶如石英SiO2第21页/共29页第二十一页，共30页。凡属 nO Ve 晶体(jngt)称为正晶。凡属 nO ne主，即 VO Ve 晶体(jngt)称为负晶。 e 光在垂直于光轴方向上的传播(chunb)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 nO ne主之间 。对波长为 5

16、89.3 纳米的钠黄光方解石 1.4864 1.6584石英 1.5534 1.5443主主enon为简略以下使用主主eenn 第22页/共29页第二十二页，共30页。 平行光倾斜(qngxi)入射，光轴在入射面内，光轴与晶体表面斜交光轴AFEeOeO如果(rgu)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。第23页/共29页第二十三页，共30页。 平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴与晶体表面(biomin)斜交光轴AEOeBFEF出射两束偏振方向相互(xingh)垂直的线偏光第24页/共29页第二十四页，共30页。 平行光垂直入射，光轴

17、在入射面内，光轴平行晶体(jngt)表面光轴AEeBFEFO具有相互垂直(chuzh)的偏振方向出射光沿同方向传播(chunb)第25页/共29页第二十五页，共30页。二、尼科耳棱镜(lngjng)ACNM光轴在 ACNM 平面(pngmin)内方向与AC成480，入射面取ACNM 面两块特殊要求加工(ji gng)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 arc sin(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。e760O方解石的折射率 n0=1.658， ne=1.486 220680048 e第26页/共29页第二十六页，共30页。三、渥拉斯顿棱镜(lngjng)eO两块直角方解石光轴相互(xingh)垂直，如图：ABDCO方解石4864.1 en6584. 1 on0VVe 主主 光从光密到光疏折射光要偏离(pinl)法线e在棱镜 BCD 中，传播的O 光和 e 光波面与入射面相截成两个同心圆。eOO光振动垂直与光线和光轴组成的平面。e 光振动平行与光线和光轴组成的平面。第27页/共29页第二十七页，共30页。15-1，15-16，15-22， 15-26。 课外作业大学物理精品课程网站(wn zhn)第28页/共29页第二十八页