物理216光的偏振

1、光的偏振干涉与衍射现象揭示了光的波动性偏振现象证实了光是横波纵波：振动方向相对于传播方向具有对称性横波：振动方向相对于传播方向具有不对称性偏振12-12 光的偏振状态电磁波中起感光作用和生理作用的是电场矢量(光矢量)偏振态：光矢量的振动状态多种偏振态：自然光，线偏振光，部分偏振光，椭圆偏振光，圆偏振光由光矢量振动方向和光的传播方向所构成的平面称为振动面 振动面光矢量1.线偏振光光矢量只沿一个固定方向振动的光(又称平面偏振光)2.自然光在垂直于光传播方向的平面内，各方向都有光振动，且各方向光矢量的振幅相等无偏振性；无固定的位相关系3.部分偏振光(partial polarized light)

2、在垂直于光传播方向的平面内，各方向都有光振动，但振幅不等 4.圆偏振光和椭圆偏振光椭圆偏振光：矢量端点轨迹为椭圆圆偏振光：矢量端点轨迹为圆在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量以一定的频率旋转。偏振片一.起偏与检偏偏振片：吸收某方向光振动，而与其垂直方向的光振动能通过的装置偏振化方向偏振化方向：能通过光振动的方向12-13 起偏与检偏 马吕斯定律检偏：用偏振片检验光线的偏振化程度起偏：自然光通过偏振片后变为线偏振光起偏检偏二.马吕斯定律(Malus law) -马吕斯定律 1.a =0或a =1800时, I2=I1光强最强讨论：2.a=900或a=2700时, I=0光强最弱问题：之间插入另一

3、偏振片，情况如何？例1 平行放置的两偏振片, 偏振化方向成300角,自然光垂直入射后, 透射光与入射光的强度之比为多少? (分别讨论无吸收和10%的吸收的情况)解：1.无吸收时根据马吕斯定律2.10%吸收时例2强度分别为I1、 I2的自然光和线偏振光同时垂直入射于偏振片P1，在E处观察通过偏振片P2后的光强。(1)P1任意放置后不动, 将P2以光线方向为轴转动一周, 计算并讨论在E处所观察的光强变化情况； (2)要在E处得到最大光强，应如何实现?解：1.设P1、P2的偏振化方向夹角为入射偏振光振动方向与P1偏振化方向夹角为对自然光：线偏振光：因I1和I2是非相干光即在E处观察到的光强随P2的转

4、动而周期性变化时时2.在E处得到最大光强，须同时满足 ，则 例3 有两个偏振片,一个用作起偏器, 一个用作检偏器. 当它们偏振化方向间的夹角为 时 , 一束单色自然光穿过它们, 出射光强为 ; 当它们偏振化方向间的夹角为 时, 另一束单色自然光穿过它们 , 出射光强为 , 且 . 求两束单色自然光的强度之比 .解 设两束单色自然光的强度分别为 和 . 经过起偏器后光强分别为 和 .经过检偏器后 一.部分偏振现象自然光在两各向同性媒介分界面上反射和折射时，反、折射光均为部分偏振光特点：反射光中垂直入射面的振动较强，折射光中反之12-14 反射和折射时光的偏振1812年布儒斯特发现：布儒斯特角此时

5、有由折射定律-布儒斯特定律某特定入射角入射时，反射光为振动方向垂直于入射面的线偏振光二.布儒斯特定律( Brewster Law) 说明：1. i= i0时，反射光为线偏振光，而折射光仍然是部分偏振光，但此时偏振化程度最高2.反射光光强较弱，折射光较强3.让自然光通过玻璃片堆，可使折射光的偏振化程度增加。玻璃片足够多时，可使折射光为完全偏振光4.激光中的布儒斯特窗外腔式激光管加装布儒斯特窗，可使出射光为线偏振光，并减少反射损失 i0i0激光输出布儒斯特窗M1M2i0i0 5. 根据光的可逆性，当自然光以 角从 介质入射此界面时，此 角即为布儒斯特角 .玻璃玻璃讨论下列光线的反射和折射（起偏角

6、）.（C）用偏光镜消除了反射偏振光 使玻璃门内的人物清晰可见（A）玻璃门表面的反光很强（B）用偏光镜减弱了反射偏振光例1将一介质平板放在水中, 板面与水平面的夹角为，如图。已知折射率n水=1.333，n介质=1.681，要使水面和介质面反射光均为线偏振光, 求解：如图所示根据布儒斯特定律又1玻璃2空气 例2 一自然光自空气射向一块平板玻璃，入射角为布儒斯特角 ，问 在界面 2 的反射光是什么光？一.双折射现象双折 射双 折双 折方解石晶体o光e光寻常光(o光)：遵守折射定律非常光(e光)：不遵守折射定律12-15 光的双折射当方解石晶体以入射光线为轴旋转时(i=0)，o光不动，e光围绕o光旋转

7、 1.概念光轴：光线在晶体中沿某一方向传播时不发生双折射现象，这一方向称为晶体的光轴单轴晶体：只有一个光轴的晶体，如方解石、石英等双轴晶体：有两个光轴的晶体，如云母、硫磺等二.双折射光的偏振特点 主平面：某一光线(o光或e光)与光轴组成的平面光轴法线o光e光主截面：光轴和晶体表面法线组成的平面光轴法线一般情况下，e光不一定在入射面内，o光和e光的主平面并不重合光轴o光光轴e光主截面o光主平面e光主平面(a) o光和e光均为线偏振光2.特点(b) o光的振动方向垂直于它自己的主平面，e光的振动方向平行于它自己的主平面o光e光 光轴(c)当入射面是晶体的主截面时,o光和e光的主平面重合，此时o光与

8、e光的振动方向相互垂直原因：o光在晶体内的速度各向同性，e光却是各向异性o光：子波波面为球形面e光：子波波面为椭球面正晶体负晶体三.双折射现象的解释光轴光轴惠更斯原理解释光轴光轴四.尼科尔棱镜加拿大树胶方解石晶体光轴五. 晶体起偏器件 1. 晶体的二向色性、晶体偏振器某些晶体对o光和e光的吸收有很大差异，这叫晶体的二向色性电气石光轴e光电气石光轴可产生线偏振光2. 偏振棱镜偏振光分束镜 :沃拉斯顿棱镜12方解石方解石oe光轴光轴方解石 n0ne12-16 晶体相移器件,圆和椭圆偏振光1. 晶片相位延迟片晶片是光轴平行表面的晶体薄片。ydxAAoAe线偏振光光轴 通过厚为d的晶片，o、e光产生相

9、位差：AAoAe光轴P 振幅关系从晶片出射的是两束传播方相同、振动方向相互垂直、频率相等、相位差的线偏振光，它们合成为一束椭圆偏振光。时为圆偏振光 2. 波（晶）片 (1) 四分之一波片 线偏振光圆偏振光 线偏振光线偏振光从线偏振光获得椭圆或圆偏振光（或相反）线偏振光椭圆偏振光(2) 二分之一波片(半波片)使线偏振光振动面转过2 角度A0入A0出A入A出Ae入= Ae出入光轴(3) 全波片三. 椭圆与圆偏振光的检偏用四分之一波片和偏振片P可区分出自然光和圆偏振光或部分偏振光和椭圆偏振光 四分之一波片圆偏振光自然光自然光线偏振光 偏振片（转动）线偏振光 I不变线偏振光I变, 有消光以入射光方向为

10、轴 四分之一波片椭圆偏振光部分偏振光线偏振光 偏振片（转动）线偏振光I变, 有消光 部分偏振光光轴平行最大光强或最小光强方向放置或光轴平行椭圆偏振光的长轴或短轴放置线偏振光I变, 无消光12.17 偏振光的干涉一. 偏振光干涉装置d晶片C偏振片P2偏振化方向 单色自然光偏振片P1偏振化方向光轴方向二. 偏振光干涉的分析1. 振幅关系P2P1CA1AeAoA2oA2e在P2 后，两束光振动方向平行，振幅为：通过晶体C后此两束光合成为一束椭圆偏振光通过P2 后（若P1、P2夹角小于，则无附加相差）2. 相位关系相长干涉P2P1CA1AeAoA2oA2e相消干涉若单色光入射，且d不均匀，则屏上出现等

11、厚干涉条纹。三. 色偏振白光入射,晶片d均匀,屏上由于某种颜色干涉相消，而呈现它的互补色这叫色偏振若d不均匀，则屏上出现彩色条纹。如 红色相消绿色；蓝色相消黄色，12.18 人工双折射人为地造成各向异性，而产生双折射。一. 光弹效应(应力双折射效应)P1P2dFSF干涉有机玻璃C应力各向异性各向不同n各向不同在一定应力范围内：各处 不同各处 不同出现干涉条纹 变 变干涉情况变。二. 电光效应电光效应也叫电致双折射效应克尔效应 (1875年)l+-4545P1P2克尔盒d 不加电场液体各向同性P2不透光 加电场液体呈单轴晶体性质，二次电光效应 E 电场强度，k 克尔常数克尔效应引起的相位差为：克尔盒相当于半波片， P2透光最强 。时，光轴平行 P2透光三、物质的旋光性1811年 法国物理学家阿喇果发现线偏振光沿光轴方向通过石英晶体时其振动面发生旋转 称为旋光现象 旋光物质 l光轴氯酸钠、乳酸、松节油、糖的水溶液等也都具有旋光性 a 旋光率旋转的角度：旋光率 a 与旋光物质和入射波长有关 对于溶液 还和旋光物质的浓度有关物质的旋光性