第五章 光的偏振 A 2013111

1、第五章第五章 光的偏振光的偏振5.15.1自然光与偏振光自然光与偏振光1.1.自然光自然光2.2.完全偏振光完全偏振光(1) (1) 线偏振光线偏振光（2 2）圆偏振光）圆偏振光(3) (3) 椭圆偏振光椭圆偏振光3 3部分偏振光部分偏振光一、横波与纵波一、横波与纵波1、 横波：波的横波：波的振动方向与传播方向互相垂直振动方向与传播方向互相垂直2、纵波：波的、纵波：波的振动方向与传播方向相同振动方向与传播方向相同。3、电磁波：、电磁波：电场和磁场都垂直于波的传播方向，电场和磁场都垂直于波的传播方向，三者相互垂直，所以电磁波是横波。三者相互垂直，所以电磁波是横波。光波是电磁波光波是电磁波, 故光

2、波是横波故光波是横波ZXYEHv绳波： 弹簧波: 1 1 光的偏振性 按振动行为划分有横波和纵波两种方式 声波： v4.波的波的振动方向振动方向对传播方向对传播方向不具有对称性不具有对称性。有有偏振性偏振性( (横波) )5.对对纵波纵波，包含传播方向与振动方向所构成的平面，包含传播方向与振动方向所构成的平面，哪一个都一样，没有一个显哪一个都一样，没有一个显示出与另一个有区别示出与另一个有区别。即：。即：波的振动方向对传播方向具有对称性波的振动方向对传播方向具有对称性。无偏振性无偏振性( (纵波) )横波纵波 6 6、光是横波、光是横波, ,光的光的振动方向应始终振动方向应始终与光的传播方向垂

3、直与光的传播方向垂直. .但是但是, ,在垂直于光在垂直于光的传播方向的平面内的传播方向的平面内, , 光矢量还可以有光矢量还可以有不同的振动状态不同的振动状态，我们称，我们称在垂直于光传在垂直于光传播方向的二维平面内，光矢量的振动状播方向的二维平面内，光矢量的振动状态叫做态叫做光波的偏振态光波的偏振态. .光波按偏振态来划分，可分为三大类：光波按偏振态来划分，可分为三大类： (1)(1)自然光，自然光，(2)(2)完全偏振光，完全偏振光，(3)(3)部分偏振光部分偏振光. .偏振：振动方向对于传播方向偏振：振动方向对于传播方向的不对称性。的不对称性。只有横波只有横波才有偏振现象。才有偏振现象

4、。1.1.自然光自然光 普通光源中包含许许多多分子和原子普通光源中包含许许多多分子和原子, ,不同不同的原子或分子所发光波的原子或分子所发光波, ,或同一原子不同时刻所或同一原子不同时刻所发光波发光波, ,其其振动方向、振幅振动方向、振幅、初始相位各不相同初始相位各不相同. . 在垂直于光传播方向的平面内在垂直于光传播方向的平面内, , 在观测最小在观测最小时间间隔内时间间隔内, ,光振动在各个方向的光振动在各个方向的几率相同几率相同, ,没有没有那一个方向占更大优势那一个方向占更大优势. .我们称这种光为自然光我们称这种光为自然光. .自然光自然光-在空间各个取向上在空间各个取向上,电矢量的

5、电矢量的时间平均时间平均 值都相等值都相等的光的光. 用来表示垂直于光传播方向的平面内用来表示垂直于光传播方向的平面内, ,光振动光振动方向的矢量图方向的矢量图, , 叫做叫做迎光矢量图迎光矢量图. . 该图表示该图表示迎着迎着光传播方向光传播方向看到的光振动的情况看到的光振动的情况. . 在迎光矢量图在迎光矢量图上上, , 自然光是一些均匀分布的辐射线自然光是一些均匀分布的辐射线. .自然光自然光y自然光等效为两振幅相等、互相自然光等效为两振幅相等、互相垂直的、垂直的、无相位关系无相位关系的线偏振光的线偏振光y自然光它是由轴对称分布、无固定相位关系无固定相位关系的大量线偏振光集合而成的。 即

6、：它可以看作是两个振幅相同、振动相互垂直它可以看作是两个振幅相同、振动相互垂直的的非相干非相干的线偏振光的叠加。的线偏振光的叠加。.2,:,:022022IIIIIAAIthenAIAIifyxyxyxyyxxyxAA 在垂直于传播方向的两正交方向光矢量的平在垂直于传播方向的两正交方向光矢量的平均值相等。均值相等。自然光的表示自然光的表示自然光的另一种表示方法自然光的另一种表示方法自然光的一种表示方法自然光的一种表示方法z 左图中线段表示光振动平行左图中线段表示光振动平行于图面的线偏振光于图面的线偏振光, , 点子表示光点子表示光振动垂直于图面振动垂直于图面. .线偏振光线偏振光2.2.完全偏

7、振光完全偏振光(1) (1) 线偏振光线偏振光 这种偏振光，光振动电矢量总是在一个这种偏振光，光振动电矢量总是在一个固定的固定的平面内平面内, ,所以这种偏振光又叫做所以这种偏振光又叫做平面偏振光平面偏振光. . 在与光在与光传播方向垂直的平面内，传播方向垂直的平面内， 电矢量电矢量端点的轨迹是一条端点的轨迹是一条直线直线 光振动只改变振幅大小，不改变方向光振动只改变振幅大小，不改变方向. .振动面：电矢量和光的传播方振动面：电矢量和光的传播方向所构成的平面。向所构成的平面。振动面振动面uE面对光的传播方向看面对光的传播方向看 在迎光矢量图上在迎光矢量图上, ,线偏振光是一直线线偏振光是一直线

8、 y（2 2）圆偏振光）圆偏振光 在垂直于光传播方向的固定平面内，光矢量在垂直于光传播方向的固定平面内，光矢量的的大小不变大小不变, , 但随时间以角速度但随时间以角速度 旋转旋转, , 其末其末端的轨迹是圆端的轨迹是圆. . 这种光叫做圆偏振光这种光叫做圆偏振光. . 在某一固在某一固定时刻定时刻t t0 0, , 在传播方向上各点对应的光矢量的端在传播方向上各点对应的光矢量的端点轨迹是点轨迹是螺旋线螺旋线. . 随着时间推移随着时间推移, , 螺旋线以相速螺旋线以相速前移前移. . yyxy(3) (3) 椭圆偏振光椭圆偏振光 在垂直于光传播方向的固定平面内在垂直于光传播方向的固定平面内,

9、 , 光矢量的光矢量的方向和大小都在随时间改变方向和大小都在随时间改变, , 光矢量的端点描出一光矢量的端点描出一个椭圆个椭圆, , 这样的这样的 偏振光偏振光 叫做椭圆偏振光叫做椭圆偏振光. . 以上三种（线以上三种（线 圆圆 椭圆）椭圆）偏振光称为偏振光称为完全偏振光完全偏振光, , 可以由两个互相垂直的，可以由两个互相垂直的，有有相位关系的相位关系的, , 同频率的线同频率的线偏振光合成偏振光合成. . 反之反之, , 一完全一完全偏振光也可以分解为两个任偏振光也可以分解为两个任意方向意方向, , 相互垂直相互垂直, , 有相有相位关系位关系的同频率的线偏振的同频率的线偏振光（见后文）光

10、（见后文）. . 椭圆偏振光电矢量椭圆偏振光电矢量随时间逆时针旋转随时间逆时针旋转3 3部分偏振光部分偏振光由自然光和完全偏振光组成的光，叫做部分偏由自然光和完全偏振光组成的光，叫做部分偏振光振光 . .(1)(1)自然光自然光 + + 线偏振光，线偏振光， (2) (2)自然光自然光 + + 圆偏振光，圆偏振光， (3) (3)自然光自然光 + + 椭圆偏振光，椭圆偏振光，表示：表示：3）部分偏振光）部分偏振光光矢量的平均值在某一方向上最强，与之垂直光矢量的平均值在某一方向上最强，与之垂直的方向上最弱的偏振光。的方向上最弱的偏振光。/于纸面的光振动的平均值于纸面的光振动的平均值垂直于纸面的光

11、振动的平垂直于纸面的光振动的平均值。均值。 于纸面的光振动的平均值于纸面的光振动的平均值平行于纸面的光振动的平平行于纸面的光振动的平均值。均值。二二 由二向色性产生的平面偏振光由二向色性产生的平面偏振光 某些晶体（例如电气石）对于光振动垂直于某某些晶体（例如电气石）对于光振动垂直于某个方向的线偏振光强烈吸收，对于光振动平行与这个方向的线偏振光强烈吸收，对于光振动平行与这个方向的线偏振光吸收很少，这种个方向的线偏振光吸收很少，这种对线偏振光对线偏振光的强的强烈的烈的选择吸收选择吸收性质，叫做性质，叫做二向色性二向色性1）晶体的）晶体的二向色性二向色性：形象说明偏振片的原理透振方向2 2）人造偏振

12、片）人造偏振片何谓偏振片何谓偏振片透明玻璃片透明玻璃片涂有金鸡纳霜或碧硒（电涂有金鸡纳霜或碧硒（电气石）等材料的簿膜气石）等材料的簿膜自然光自然光偏振光偏振光偏振化方向偏振化方向具有竖直偏振方向具有竖直偏振方向的偏振膜。吸收了的偏振膜。吸收了水平方向的光振动水平方向的光振动1P0I2I2P起偏01809027 0(作起偏器)人眼不能鉴别光的偏振性,但可再用一个偏振片来鉴别.检偏器检偏器 检检 偏偏起偏器起偏器模拟演示01809027 001809027 0(作检偏器)(作起偏器)两偏振片的透振方向平行时,重叠区光强输出最大.两偏振片的透振方向正交时,重叠区光强输出为零.如果入射如果入射线线偏振

13、光的光强为偏振光的光强为I1，通过，通过检偏器的透射光的光强为：检偏器的透射光的光强为： 212cosII ：线偏振光振动方向与检偏器偏振线偏振光振动方向与检偏器偏振化方向之间的夹角化方向之间的夹角1P0I2I2P1A2A1P2P1A2Acos1Asin1A212212AAII2cos212cosII 例题例题：两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂直入射其两偏振片堆叠在一起，一束自然光垂直入射其上时没有光线透过。当其中一偏振片慢慢转动上时没有光线透过。当其中一偏振片慢慢转动180 时透射光强度发生的变化为时透射光强度发生的变化为: B （A）光强单调增加；）光强单调增加；（B）光强先增加，后又减小

14、至零；）光强先增加，后又减小至零；（C）光强先增加，后减小，再增加；）光强先增加，后减小，再增加；（D）光强先增加，然后减小，再增加再减小至零。）光强先增加，然后减小，再增加再减小至零。P2P1 P 215 例题5.1偏振光的应用偏振光的应用 下面介绍几种日常生活中应用偏振光的实例：下面介绍几种日常生活中应用偏振光的实例： 1、汽车车灯、汽车车灯 汽车夜间在公路上行驶与对面的车辆相遇时，为了避免双方车灯的眩目，司机都关闭大灯，只开小灯，放慢车速，以免发生车祸。如驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片，而且规定它们的偏振化方向都沿同一方向并与水平面成45度角

15、，那么，司机从前窗只能看到自已的车灯发出的光，而看不到对面车灯的光，这样，汽车在夜间行驶时，既不要熄灯，也不要减速，可以保证安全行车。 另外，在阳光充足的白天驾驶汽车，从路面或周围建筑物的玻璃上反射过来的耀眼的阳光，常会使眼睛睁不开。由于光是横波，所以这些强烈的来自上空的散射光基本上是水平方向振动散射光基本上是水平方向振动的。因此，只需带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振太阳镜太阳镜便可挡住部分的散射光便可挡住部分的散射光。Applications of polarization 偏振光的应用偏振光的应用汽车车灯与窗玻璃用同一偏振化方向的透明膜汽车车灯与窗玻璃用同一偏振化方向的透明膜防止对面来的灯光耀眼防止对面来的灯光耀眼 2、观看立体电影、观看立体电影 在拍摄立体电影时，用两个摄影机，两个摄影机的镜头两个摄影机的镜头相当于人的两只眼睛相当于人的两只眼睛，它们同时分别拍下同一物体的两个画像，放映时把两个画像同时映在银幕上。如果设法使观众的设法使观众的一只眼睛只能看到其中一个画面一只眼睛只能看到其中一个画面，就可以使观众得到立体感。为此，在