(物理光学)第十五章_光的偏振和晶体光学基础-1

1、第十五章第十五章 光的偏振和晶体光学基础光的偏振和晶体光学基础光的偏振（光的偏振（Polarization of light）现象的发现）现象的发现偏振现象的意义（说明了光的横波性）偏振现象的意义（说明了光的横波性）菲涅尔（菲涅尔（Fresnel）和阿喇果（）和阿喇果（Arago）实验）实验杨氏假设杨氏假设菲涅尔的理论菲涅尔的理论偏振现象与晶体（偏振现象与晶体（Crystal）15151 1 偏振光概述偏振光概述一、偏振光与自然光（一、偏振光与自然光（Polarized light and Natural light） 1、自然光：具有一切可能的振动方向的许多光波之和。、自然光：具有一切可能的

2、振动方向的许多光波之和。 特点：振动方向的无规则性。特点：振动方向的无规则性。 表示：可用两个振动方向垂直的、强度相等的、表示：可用两个振动方向垂直的、强度相等的、 位相关系不确定位相关系不确定的光矢量表示。的光矢量表示。 自然光自然光Natural light2、偏振光（、偏振光（Polarized light）：）： 光矢量的方向和大小有规则变化的光光矢量的方向和大小有规则变化的光 线偏振光（线偏振光（Linearly polarized light）：光矢：光矢量方向不变，其大小随位相变化。量方向不变，其大小随位相变化。 圆偏振光（圆偏振光（Circularly polarized li

3、ght）：光：光矢量大小不变，其方向绕传播方向矢量大小不变，其方向绕传播方向均匀转动，且矢量末端轨迹为圆。均匀转动，且矢量末端轨迹为圆。 椭圆偏振光（椭圆偏振光（Elliptically polarized light）：光矢量大小和方向都在有规律地变光矢量大小和方向都在有规律地变化，且矢量末端轨迹为椭圆。化，且矢量末端轨迹为椭圆。偏振光方程：偏振光方程：)(expexp2100kziaEikzaEyExEEyxyx1）线偏振光）线偏振光 (Linearly polarized light) 振动平面：振动平面：光矢量与传播光矢量与传播方向组成的平方向组成的平面称为线偏振面称为线偏振光的振动平

4、面。光的振动平面。01)exp(xikzaEExZ2) 圆偏振光圆偏振光(Circularlypolarized light)020121)(exp )exp(ykziaxikzaEaa右旋右旋2z3) 椭圆偏振光椭圆偏振光 (Elliptically polarized light)20)(exp )exp(020121ykziaxikzaEaa左旋左旋右旋右旋z自然光自然光部分偏振光部分偏振光3、部分偏振光、部分偏振光( Partially polarized light) 自然光在传播过程中，由于外界的作用造成振动方自然光在传播过程中，由于外界的作用造成振动方向上强度不等，使某一方向上的

5、振动比其向上强度不等，使某一方向上的振动比其它方向上的振动占优势。它方向上的振动占优势。 Partial polarized lightNatural lightminmaxminmaxIIIIIIPP总表示：部分偏振光表示：部分偏振光=完全偏振光完全偏振光+自然光自然光 完全偏振光完全偏振光 Ip=Imax-Imin偏振度：偏振度：二二、 偏振光的产生偏振光的产生（Production of of polarized light） 主要方法：反射和折射、二向色性、散射、双折射主要方法：反射和折射、二向色性、散射、双折射1. Polarization by reflection2. Polar

6、ization by transmission3. Polarization by selective absorption4. Polarization by scattering5. Polarization by double refraction1、由反射和折射产生偏振光、由反射和折射产生偏振光 1）菲涅尔公式：反射波、折射波与入射波振）菲涅尔公式：反射波、折射波与入射波振幅比值的关系幅比值的关系2n1q q1n2q q1q qxzoE1pE1sE1sE1pE2sE2p入射面入射面xoz分界面分界面xoy由麦克斯韦方程组和电磁场边界条件推出：由麦克斯韦方程组和电磁场边界条件推出：）式（

7、）式（2)sin(cossin21)sin()sin(211212212111 qqqqqqqqssssssAAtAAr）式（）式（4 3 )cos()sin(cossin2)()(21211212212111qqqqqqqqqqppppppAAttgtgAAr)(121nntgPq反射光为线偏振光。振动反射光为线偏振光。振动方向垂直于入射面。方向垂直于入射面。透射光为部分线偏振光。透射光为部分线偏振光。 2）布儒斯特定律）布儒斯特定律( Brewsters Law )自然光投射到两种不同介质的分界面上时，若入射角满自然光投射到两种不同介质的分界面上时，若入射角满足关系式足关系式 ，则反射光中

8、没有振动平行于入，则反射光中没有振动平行于入射面的分量。射面的分量。221qq 2n1n1q q2q q1q q, ,入射角为布儒斯特角，即入射角为布儒斯特角，即 3）实例（）实例（Examples）：）：用玻璃片堆获得偏振光用玻璃片堆获得偏振光 Pq偏振分光镜偏振分光镜 ZnS(n2)冰晶石冰晶石 (n1)45。n3 制作制作 原理原理 n3 膜层厚度膜层厚度 层数层数2、由二向色性产生偏振光、由二向色性产生偏振光 (Polarization by selective absorption)二向色性二向色性(Dichroism)：各向异性的晶体对光的吸收本：各向异性的晶体对光的吸收本领随波长

9、改变外，还随光矢量相对晶体的领随波长改变外，还随光矢量相对晶体的方位而改变。方位而改变。人造偏振片人造偏振片(Polaroid)：H偏振片和偏振片和K偏振片偏振片x(拉伸方向拉伸方向)y(透光轴方向透光轴方向)z偏振片透光特性偏振片透光特性0.50.40.30.20.1波长波长透过率透过率400450500550600650700一束非偏振光入射到气体上，那麽在与入射光束垂直一束非偏振光入射到气体上，那麽在与入射光束垂直的方向上被散射的光是线偏振光。散射光的振动方向的方向上被散射的光是线偏振光。散射光的振动方向 在光线传播方向的垂直平面内。在光线传播方向的垂直平面内。3、由散射产生偏振光、由散

10、射产生偏振光 (Polarization by scattering)三三. . 马吕斯定律马吕斯定律(Malus law)和消光比和消光比(Extinction ratio)如果一入射线偏振光的电矢量振如果一入射线偏振光的电矢量振动方向和检偏器的透光轴成动方向和检偏器的透光轴成 q q 角，角，则通过检偏器之后的光强则通过检偏器之后的光强 I 为：为：q20cosII起偏器（起偏器（ Polarizer ）：用来产生偏振光的偏振器件。）：用来产生偏振光的偏振器件。检偏器（检偏器（ Analyser ）：用来检验偏振光的偏振器件。）：用来检验偏振光的偏振器件。A0cosq qA0sinq qy（透光轴方向）（透光轴方向）xq qI0 自然光自然光(Na