大学物理2011.20

1、17.3 17.3 光的光的偏振偏振2.2.偏振片偏振片 马吕斯定律马吕斯定律 布儒斯特定律布儒斯特定律 晶体的双折射光轴与主平面晶体的双折射光轴与主平面1.1.光的偏振性光的五种偏振态光的偏振性光的五种偏振态主要主要内容内容17.3.1光的偏振状态光的偏振状态光的光的振动面振动面：光矢量：光矢量E E与传播方向共同组成的平面。与传播方向共同组成的平面。光矢量光矢量振动面振动面v0HE只有横波才有偏振现象只有横波才有偏振现象,光是横波，光具有偏振性。光是横波，光具有偏振性。 自然光无偏振性自然光无偏振性 = (E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射能级跃迁辐射波列波列波列长波列长 L = c秒秒

2、810 1.自然光自然光 迎着光的传播方向，光矢量迎着光的传播方向，光矢量E E在各个方向上的振动出在各个方向上的振动出现的概率相同。现的概率相同。自然光自然光没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解 一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。的、不相干的线偏振光。yxEE yxyxIIEEEI222自然光的表示法：自然光的表示法：yxEE jEiEEyxxyoxEyEyxII 偏振光偏振光光的偏振光的偏振: : 迎着光的传播方向，光矢量迎着光的传播方向，光矢量E E在各个方向上的振动出现的概率以及光在各个方向上的

3、振动出现的概率以及光的强度的强度不对称。不对称。2.2.光的偏振光的偏振部分偏振光部分偏振光部分偏振光的分解部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光 部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光。的、不相干的线偏振光。部分偏振光的表示法：部分偏振光的表示法： 板面内的光振板面内的光振动较强动较强垂直于板面的垂直于板面的光振动较强光振动较强yxEE xExyoyE3. 线偏振光线偏振光E播播传传方方向向振振动动面面面对光的传播方向看面对光的传播方向看线偏振光的表示法：线偏振光的表示法： 光振动垂直板面光振动垂直板面光振动平行板面

4、光振动平行板面线偏振光线偏振光：沿传播方向，光矢量只在一个方向存在振动。：沿传播方向，光矢量只在一个方向存在振动。0, 00, 0yxyxEEorEE 光矢量在与光的传播方向垂直的平面内出现光矢量在与光的传播方向垂直的平面内出现概率不同的状态。概率不同的状态。光的五种偏振态光的五种偏振态 1. 自然光自然光 （非偏振光）；（非偏振光）； 2. 部分偏振光部分偏振光 ； 3. 线偏振光线偏振光(完全偏振光或平面偏振光）；完全偏振光或平面偏振光）； 4. 圆偏振光；圆偏振光； 5. 椭圆偏振光椭圆偏振光 光的偏振态光的偏振态面对光的传播方向看面对光的传播方向看 迎着光线看振动矢量末端轨迹是椭圆或圆

5、，迎着光线看振动矢量末端轨迹是椭圆或圆，这样的偏振光称为椭圆偏振光和圆偏振光。这样的偏振光称为椭圆偏振光和圆偏振光。形成的原因：形成的原因：两个相互垂直的线偏振光叠加两个相互垂直的线偏振光叠加14-314-3节我们讨论过相互垂直的振动叠加。若节我们讨论过相互垂直的振动叠加。若两个频率相同，振动方向垂直，相位差固定的两个频率相同，振动方向垂直，相位差固定的振动叠加时，合成后的振动矢量的箭头轨迹是振动叠加时，合成后的振动矢量的箭头轨迹是椭圆或是圆。椭圆或是圆。4.4.椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光自然光、部分偏振光与线偏振光的关系自然光、部分偏振光与线偏振光的关系1.自然光是由两束光强相

6、等，振动方向垂直的线偏振光复合而成的。自然光是由两束光强相等，振动方向垂直的线偏振光复合而成的。2.部分偏振光是由一束自然光和一束线偏振光复合而成的部分偏振光是由一束自然光和一束线偏振光复合而成的 光振动垂直板面光振动垂直板面光振动平行板面光振动平行板面= 线偏振光线偏振光自然光自然光部分偏振光部分偏振光自然光自然光反射和折射光的偏振反射和折射光的偏振1n2ni r 自然光自然光部分部分偏振光偏振光 反射和折射过程会使入射的自然光变为两束部分反射和折射过程会使入射的自然光变为两束部分偏振光。偏振光。这一过程也称为自然光的偏振化过程。这一过程也称为自然光的偏振化过程。部分部分偏振光偏振光17.3

7、.2 偏振光的获得偏振光的获得一、一、 反射光的偏振化程度和入射角有关，当入射角等于某反射光的偏振化程度和入射角有关，当入射角等于某一特定值一特定值 i0 且满足：且满足：120nni tg这时的这时的反射光成为线偏振光反射光成为线偏振光。布儒斯特定律布儒斯特定律0i1n2n自然光自然光线偏振光线偏振光部分部分偏振光偏振光0i布儒斯特角布儒斯特角产生线偏振光条件产生线偏振光条件布儒斯特定律布儒斯特定律20i结论分析结论分析1. 2. 反射光为线偏振光，且振反射光为线偏振光，且振动方向垂直于入射面；折射光动方向垂直于入射面；折射光为部分偏振光。为部分偏振光。0i1n2n自然光自然光线偏振光线偏振

8、光部分部分偏振光偏振光利用利用玻璃片堆玻璃片堆产生两束线偏振产生两束线偏振光光i0(接近线偏振光接近线偏振光)玻璃片堆玻璃片堆 布儒斯特角布儒斯特角2. 经多次折射后，最终获得两束振动面互相垂经多次折射后，最终获得两束振动面互相垂直的线偏振光直的线偏振光二、二、 双折射双折射现象现象 对于各向对于各向异性异性晶体，一束光射入晶体后，可以观察到有晶体，一束光射入晶体后，可以观察到有两束折射光的现象。两束折射光的现象。寻常光线寻常光线(o光光) -遵守折射定律遵守折射定律非常光线非常光线(e光光) -不遵守折射定律不遵守折射定律n1n2i(各向异各向异性晶体性晶体)自然光自然光eooe双折射双折射

9、现象现象o光和光和e光都是线偏振光，振动方向相互垂直。光都是线偏振光，振动方向相互垂直。光光光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体举举 例例光光光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体光光光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体光光光光双双折折射射方解石方解石 晶体晶体晶体的光轴晶体的光轴与主平面与主平面（1 1）. .晶体的光轴晶体的光轴: :当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射现象，该方向称为生双折射现象，该方向称为晶体的光轴晶体的光轴。 “ “光轴光轴”是一是一特殊的特殊的“方向方向”, ,不是指一条确定的直线，不是指一条确定的直线，而是指一个确定

10、的方向。而是指一个确定的方向。凡平行于此方向的所有直线均为光凡平行于此方向的所有直线均为光轴。轴。单轴晶体单轴晶体：只有一个光轴的晶体：只有一个光轴的晶体双轴晶体双轴晶体：有两个光轴的晶体：有两个光轴的晶体AB光轴光轴102如：云母，蓝宝石，橄榄石，硫磺如：云母，蓝宝石，橄榄石，硫磺如：石英，红宝石，冰等如：石英，红宝石，冰等（2 2）主平面）主平面：晶体中晶体中光的传播方向与晶体光轴构成光的传播方向与晶体光轴构成的平面的平面e光光光轴光轴e光的光的主平面主平面o光光光轴光轴o光的光的主平面主平面o光的振动面总光的振动面总垂直垂直于于o光的主平面。光的主平面。e光的振动面总在光的振动面总在e光

11、的主平面内。光的主平面内。晶体的晶体的主平面主平面光在晶体中，波面的特性光在晶体中，波面的特性 (1) (1)在各向同性介质中，在各向同性介质中，点光源点光源的波阵面是球面。的波阵面是球面。 (2)(2)在单轴晶体中，在单轴晶体中，o o光的波面是球面光的波面是球面； 但但e e光的光的波面是以光轴为转轴的旋转椭球面波面是以光轴为转轴的旋转椭球面。 （3 3）在单轴晶体中，）在单轴晶体中， o o光速度光速度V Vo o沿各个方向相同；沿各个方向相同；e e光光光速度光速度V Ve e沿不同方向的速度不同。沿不同方向的速度不同。 (4)(4)把把o o光和光和e e光在单轴晶体内的波面画在一起

12、，则光在单轴晶体内的波面画在一起，则两个波面在光轴方向处相切。（如图）两个波面在光轴方向处相切。（如图）单轴晶体中的波面单轴晶体中的波面正晶体与负晶体正晶体与负晶体两种类型的双折射晶体两种类型的双折射晶体 .V.Vo oVVe e，则称，则称正晶体正晶体, ,以以石英石石英石代表，在正晶体代表，在正晶体内，椭球波面内，椭球波面内切于内切于球面波面之内。球面波面之内。.v.vo ovve e, ,称称负晶休负晶休，以冰洲石（，以冰洲石（方解石方解石）为代，在负晶体内，椭球波面为代，在负晶体内，椭球波面外切于外切于球面球面波面之外。波面之外。起起 偏偏 器器 若有一个光学元件，能以某种方若有一个光

13、学元件，能以某种方式选择自然光中的一束平面偏振光，而式选择自然光中的一束平面偏振光，而摒弃另一束平面偏振光，这种器件称为摒弃另一束平面偏振光，这种器件称为起偏器。起偏器。 如：偏振片，尼克尔棱镜等。如：偏振片，尼克尔棱镜等。起偏器是获得偏振光的常用光学元件起偏器是获得偏振光的常用光学元件 具有双折射和选择具有双折射和选择性吸收的性质。如电气性吸收的性质。如电气石石, 对沿光轴方向振动对沿光轴方向振动的光几乎不吸收，的光几乎不吸收，对垂对垂直于光轴方向振动的光直于光轴方向振动的光强烈吸收。强烈吸收。 天然二向色性晶体天然二向色性晶体堇青石（堇青石（Iolite），磷灰石（），磷灰石（Apatit

14、e），榍石（），榍石（Sphene ）（1 1）天然起偏器）天然起偏器. . . .自然光自然光v人造偏振片：人造偏振片：利用人工方法制造的二向色性利用人工方法制造的二向色性多晶薄膜，可获得线偏振光。多晶薄膜，可获得线偏振光。 把碘化硫酸奎宁沉淀在聚氯乙烯薄膜上，把碘化硫酸奎宁沉淀在聚氯乙烯薄膜上，再将薄膜沿某一方向拉伸。再将薄膜沿某一方向拉伸。（2）人造偏振片）人造偏振片偏振片的偏振化方向（起偏方向）偏振片的偏振化方向（起偏方向）:透过偏振片透过偏振片的光是线偏振光，该线偏振光的振动方向即为偏的光是线偏振光，该线偏振光的振动方向即为偏振片的偏振化方向。振片的偏振化方向。 偏振片的偏振化方向偏

15、振片的偏振化方向. . . .自然光自然光透射光的振动方向与偏振片的偏振化方向始终一致。透射光的振动方向与偏振片的偏振化方向始终一致。偏振片的起偏和检偏偏振片的起偏和检偏起偏：起偏：使自然光（或非偏振光）变成线偏振光的过程。使自然光（或非偏振光）变成线偏振光的过程。偏偏振振化化方方向向自然光自然光偏振片偏振片线偏振光线偏振光. . . .自然光自然光偏振片的起偏和检偏偏振片的起偏和检偏检偏：用偏振片检偏：用偏振片检查入射光的偏振性。检查入射光的偏振性。I?P待检光待检光每个偏振片都有一个确定的偏振化方。每个偏振片都有一个确定的偏振化方。起偏器起偏器. . . .自然光自然光0I20II 自然光

16、透过偏振片自然光透过偏振片线偏振光透过偏振片线偏振光透过偏振片 I0IPE=E0cos 20cosII orIII0max0 ，02 I， 马吕斯定律（马吕斯定律（18091809）消光消光 -入射线偏振光的振动方向与检偏片的入射线偏振光的振动方向与检偏片的偏振化方向偏振化方向之间的夹之间的夹角。角。E=E0cos 透射光的光强和振透射光的光强和振动方向均发生改变动方向均发生改变P E0 起偏器起偏器. . . .自然光自然光. . . .起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光线偏振光线偏振光偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化偏振光通过旋转的检偏器，光强发生变化自然光通过旋转的检偏器，光强不变

17、自然光通过旋转的检偏器，光强不变0I20II 偏振片的起偏和检偏偏振片的起偏和检偏偏振片的起偏和检偏偏振片的起偏和检偏检偏：检偏：检查入射光的偏振性。检查入射光的偏振性。I?P待检光待检光I 不变不变？是什么光？是什么光I 变，有消光（无光）变，有消光（无光）？是什么光？是什么光I 变，无消光变，无消光？是什么光？是什么光自然光自然光线偏振光线偏振光部分线偏振光部分线偏振光 例例17-11 若自然光的光强为若自然光的光强为 ,让它通过两个偏振化方向让它通过两个偏振化方向成成 角的平行放置的偏振片角的平行放置的偏振片,求透过第二个偏振片的光强求透过第二个偏振片的光强.0I060解：自然光通过第一

18、个偏振片后成为线偏振光解：自然光通过第一个偏振片后成为线偏振光,其光强为其光强为 应为入射自然光的一半应为入射自然光的一半,即即:20II I根据马吕斯定律根据马吕斯定律,透过第二个偏振片的光强为透过第二个偏振片的光强为860cos2cos00202IIII例例 题题（3）尼科尔棱镜）尼科尔棱镜用人工方法制作的可以产生线偏振光的透镜。用人工方法制作的可以产生线偏振光的透镜。光轴法线加拿大树胶ABCDeo为主截面平面ABCD 尼科尔棱镜是利用光的尼科尔棱镜是利用光的全全反射原理与晶体的双折射现象反射原理与晶体的双折射现象制成的一种偏振仪器。制成的一种偏振仪器。 o光在临界面入射角超过临界角度，所以发生全反射，而光在临界面入射角超过临界角度，所以发生全反射，而e光光射到树脂上不发生全反