大学物理-光的偏振课件

1、波动光学(Wave motion optics)1 本章开始的研究对象: 光。 光是什么？近代物理认为，光既是一种波动(电磁波)，又是一种粒子(光子)。就是说，光是具有波粒二象性的统一体。 光学通常分为几何光学、波动光学和量子光学三部分。 我们首先研究光的波动性。波动光学是当代激光光学、信息光学、非线性光学和很多应用光学的重要基础。波动最重要的特征是具有干涉、衍射和偏振现象。引 子2 可见光,即能引起人的视觉的电磁波,它的频率在3.910147.71014Hz之间,相应真空中的波长在77003900之间。不同频率的光，颜色也不同。频率与颜色如表19-1所示。红 光 77006200 3.910

2、14 4.8 1014Hz 橙 光 62005900 4.81014 5.1 1014Hz 黄 光 59005600 5.11014 5.4 1014Hz 绿 光 56005000 5.41014 6.0 1014Hz 青 光 50004800 6.01014 6.3 1014Hz 蓝 光 48004500 6.31014 6.7 1014Hz 紫 光 4500 3900 6.71014 7.7 1014Hz 表19-1 可见光的范围3 就能量的传输而言，光波中的电场E和磁场H是同等重要的。但实验证明,引起眼睛视觉效应和光化学效应的是光波中的电场,所以我们把光波中的电场强度E称为光矢量(或光振

3、动)。 在波动光学中, 光强定义为4第 19 章（Polarization of light） (4)光的偏振52. 激光光源：受激辐射 (将在近代物理中讨论)3.同步辐射光源1.普通光源：自发辐射(随机、独立)不相干(不同原子发的光)不相干(同一原子先后发的光)二.光 源719-2 光波列的频谱宽度 由付里叶积分可以证明，频宽： 波列长x 光波列长度: x = c t 可见, 波列愈长, 其单色性愈好。 实际谱线宽度大大超过上述自然宽度。原因 一是原子间的碰撞是激发态寿命( t)缩短； 二是运动原子发出的光有多普勒频移。 它不是单色光，实际是由某一中心波长o附近的许多不同频率的单色光组成。8

4、19-3 光的偏振态 光波是横(电磁)波。光波中光矢量(电场)的振动方向与光的传播方向垂直。 偏振研究光矢量在垂直于传播方向的平面内的振动状态(偏振态)。 最常见的偏振光有五种:自然光、线偏振光、部分偏振光、*椭圆偏振光和圆偏振光。EH光的传播方向图19-110一.自然光 部分偏振光 线偏振光 普通光源发出的光、阳光都是自然光。由于原子发光的间歇性和无规则性，使得普通光源发出的光的光矢量在垂直于传播方向的平面内以极快的速度取0360内的一切可能的方向，且没有哪一个方向占有优势。具有上述特性的光，称为自然光。 自然光的表示法：用两个独立的(无确定相位关系)、相互垂直的等幅振动来表示。图19-2

5、图19-2中,圆点表示垂直于纸面的振动,短线表示平行于纸面的振动。11 将自然光中两个相互垂直的等幅振动之一部分移去得到的光，称为部分偏振光。 完全偏振光(线偏振光、平面偏振光)的表示法：图19-4 线偏振光 将自然光中两个相互垂直的等幅振动之一完全移去得到的光，称为完全偏振光。 部分偏振光的表示法：图19-3 部分偏振光1219-4 偏振片 马吕斯定律一.偏振片的起偏和检偏 偏振片的构造: 将硫酸碘金鸡钠霜晶粒定向排列并蒸镀在透明基片上,就制成偏振片。 偏振片的特性: 能吸收某一方向的光振动而仅让与此方向垂直的光振动通过。 偏振化方向：允许通过的光振动方向。常用箭头“ ”表示。图19-6偏振

6、片自然光Io线偏振光14 若以光传播方向为轴,慢慢旋转检偏片,观察透过偏振片的光, 偏振片既可用作起偏器,又可用作检偏器。 光强无变化的是自然光; 光强有变化,但最小值不为零的是部分偏振光; 光强有变化,但最小值为零(消光)的是线偏振光。图19-715 例题19-1 自然光连续通过两个叠在一起的偏振片后，透射光强为入射光强的四分之一，求两个偏振片偏振化方向之间的夹角。解 设两偏振片偏振化方向间的夹角为，于是由解得： =45(or 135)。图19-9自然光Io17 例题19-2 强度为Io自然光连续通过三个叠在一起的偏振片A、B、C，AC，求最大透射光强。 解 设偏振片A、B偏振化方向间的夹角

7、为，有透射光强为可见最大透射光强为图19-10ABC自然光Io18 解 透射光强: p2 p1 EA图19-11 例题19-3 由两个偏振片(其偏振化方向分别为p1和p2)叠在一起, p1与p2的夹角为。一束线偏振光垂直入射在偏振片上。已知入射光的光矢量振动方向E与p2的夹角为A(锐角), A角保持不变,如图。现转动p1，但保持p1与E、 p2的夹角都不超过A(即p1夹在E和 p2之间)。求 等于何值时出射光强为极值。19因A为锐角, 且 A, 显然 A -2 A所以 p2 p1 EA图19-11极值条件:由得显然此时I有极大值:20 例题19-4 一束光是自然光和线偏振光的混合。当它通过一偏

8、振片后，测得最大透射光强是最小透射光强的5倍，求入射光中自然光和线偏振光的光强之比。 解 设入射光中自然光的光强为I1，线偏振光的光强为I2，则透射光强即入射光中自然光和线偏振光的光强之比为1:2。2119-5 反射和折射时光的偏振 布儒斯特定律 一般情况下,反射光和折射光都是部分偏振光： 在反射光中, 垂直振动多于平行振动; 在折射光中, 平行振动多于垂直振动。这里所说的“垂直”和“平行”是对 入射面而言的。n1n2图19-12一.由反射和折射获得偏振光i22所以：(19-3)图19-12n1n2rioio+r=90上式称为布儒斯特定律。24布儒斯特角不同于全反射的临界角。 当且仅当 时，反

9、射光才是线偏振光。且n1n2或n1n2才会发生全反射。图19-12n1n2rio25 例题19-6 填空： (1)平行光以60o的入射角由空气射向一平板玻璃， 发现反射光是完全偏振光, 则折射光的折射角为 。玻璃的折射率为 。 (2) 某透明媒质对空气全反射的临介角为45o , 则光从空气射向该媒质时的布儒斯特角为 。因 io+r =90o，所以折射角r =30o。又30o所以 io =tg-154.7o2719-6 光在晶体中的双折射 有些透明媒质,如玻璃、水、肥皂液等,不论光沿哪个方向,传播速度都是相同的,媒质只有一个折射率,这样的媒质称为光学各向同性媒质。同时还存在另一类媒质,主要是透明

10、晶体物质,如方解石(化学成分是CaCO3)、石英、云母、硫磺等,光在其中传播时,沿着不同方向有不同的传播速率,这样的媒质称为光学各向异性媒质。光在晶体中的双折射现象就是光学各向异性的表现。 一.双折射现象 光线进入光学各向异性媒质(如方解石)后产生两条折射光线的现象，称为双折射现象。28图19-14 晶体中的双折射现象方解石 二.o光和 e光 两条折射光线中有一条遵守通常的折射定律(n1sini =n2sinr ,折射光线在入射面内),这条光线称为寻常光线(ordinary rays),简称o光。 另一条光线不遵守通常的折射定律,它不一定在入射面内,这条光线称为非常光线(extraordina

11、ry rays),简称e光。29(1)o光和e光都是线偏振光,振动方向相互垂直。方解石oeoe方解石图19-15 (2)产生双折射的原因: o光和e光的传播速度不同。 o光在晶体中各个方向的传播速度相同，因而折射率no=c/o=恒量。 e光在晶体中的传播速度e随方向变化，因而折射率ne=c/e是变量，随方向变化。 由于o光和e光的折射率不同，故产生双折射。30三.光轴 主截面 主平面 实验发现,在晶体内部存在着某些特殊的方向,光沿着这些特殊方向传播时,不发生双折射现象,这个特殊方向称为光轴。应该注意,光轴仅标志一定的方向,并不限于某一特殊的直线。 只有一个光轴的晶体,称为单轴晶体,如方解石、石

12、英、红宝石等。有两个光轴的晶体称为双轴晶体,如云母、硫磺、蓝宝石等。 由光轴与该晶面的法线所组成的平面,叫做该晶体的主截面。102o方解石图19-16 光轴31 某光线的传播方向和光轴方向所组成的平面叫做该光线的主平面。 当光线在晶体的主截面内入射时, 主截面、o光和e光的主平面均重合。我们主要讨论这种情况。o光的光振动方向垂直于自己的主平面;e光的光振动方向平行于自己的主平面。 o光和e光的光振动方向是相互垂直的。图19-17 no=1.658, ne=1.486方解石的主截面oe32 例题19-7 图示为一渥拉斯顿棱镜的截面，它是由二块锐角均为45o的直角方解石棱镜粘合其斜面而构成的。棱镜ABC的光轴平行于AB，而棱镜ADC的光轴垂直于图截面。方解石对o光和e光的折射率分别为 no=1.658,ne=1.486。当自然光垂直AB入射时，问： (1)图中哪一条是o光, 哪一条是e光? (2) =？ 图19-18eooe 解 (1)如图16-18所示。 (2) nosin45o=nesinre nesin45o=nosinro解得： re=52o , ro=39o于是 =52o-39o=13o 45o33 四.惠更斯原理研究双折射现象 作图方法 1. o光在各个方向的传播速度相同，子波面应为球面。 e光的传播速度随