大学物理光的偏振市公开课一等奖省赛课获奖课件

§8.1光偏振态§8.2偏振片起偏和检偏§8.3反射和折射偏振§8.4光双折射§8.5偏振光干涉§8.6人工双折射及其应用第8章、光偏振（polarizationoflight）作业：练习册选择题填空题计算题1第1页光干涉和衍射现象显示了光波动特征，但还不能完全断定光是纵波还是横波。光偏振现象从试验上清楚地显示出光横波性，这一点与光电磁理论预言一致。偏振—光波电矢量振动空间分布对于光传输方向失去对称性现象。只有横波才能产生偏振现象，故光偏振是光波动性又一例证。利用光偏振现象创造了立体电影，摄影技术中用于消除无须要反射光或散射光。光在晶体中传输与偏振现象亲密相关，利用偏振现象可了解晶体光学特征，制造用于测量光学器件，以及提供诸如岩矿判定、光测弹性及激光调制等技术伎俩。2第2页光是电磁波在人眼视觉范围内波段

400nm

760nm，对应红、橙、黄、绿、青、蓝、紫光。电磁波是横波研究光振动方向特征即光偏振性。光生理作用、感光现象，实际是电矢量（电场强度E矢量）在起作用。通常把电矢量E称为光矢量,把电矢量E振动称为光振动。§1光偏振态3第3页简化合成两个相互垂直方向.偏振光部分偏振光完全（线）偏振光E没有优势方向自然光分解4第4页5第5页一些物质对于光相互垂直分振动含有选择吸收性能人造偏振片偏振化方向——允许光振动矢量经过方向。自然光经过偏振片偏振光起偏明

明,但减弱=/2暗假如入射光是部分偏振光,旋转偏振片,透射光有明暗改变,但不会出现全暗;入射光是自然光,透射光无明暗改变—检偏。§2偏振片起偏和检偏假如入射光是完全（线）偏振光6第6页起偏和检偏7第7页证:0NM将A0分解成

A0cos

A0sin

A0

A0cos

A0sin

设：透射光强I，入射光强I0马吕斯定律8第8页解:(1)自然光经过偏振片A,光强被吸收二分之一,有:N1N2600I0I1I2例：有两块偏振片A和B,偏振化方向夹角为600。(1)入射光是自然光,设偏振片无吸收,求穿过A和B后透射光与入射光光强比;(2)入射光是线偏振光,振动方向与第一块偏振片偏振化方向夹角为300,求穿过A,B后透射光与入射光光强比;(3)假如偏振片吸收系数为0.1,再求(2)结果.9第9页光偏振现象在技术中有很多应用。比如拍摄水下景物或展览橱窗中陈列品照片时，因为水面或玻璃会反射出很强反射光，使得水面下景物和橱窗中陈列品看不清楚，摄出照片也不清楚．假如在摄影机镜头上加一个偏振片，使偏振片透振方向与反射光偏振方向垂直，就能够把这些反射光滤掉，而摄得清楚照片；另外，还有消除车灯眩光、立体电影等等。偏振片应用10第10页1.拍摄玻璃窗内物体时，用偏振片去掉反射光干扰11第11页2.汽车夜间行车时为防止对方汽车灯光晃眼以确保行驶安全，能够在全部汽车车窗玻璃和车灯前装上与水平方向成45

角，而且向同一方向倾斜偏振片。3.偏振片可用于制成太阳镜和摄影机滤光镜。观看立体电影眼镜片是由两个偏振化方向相互垂直偏振片组成。12第12页立体电影和偏振你看过立体电影吗？你知道它道理吗？它就是应用光偏振现象一个例子：在观看立体电影时，观众要戴上一副特制眼镜，这副眼镜就是一对透振方向相互垂直偏振片．这么，从银幕上看到景象才有立体感．假如不戴这副眼镜看，银幕上图像就含糊不清了．这是为何呢？这要从人眼看物体说起．人两只眼睛同时观察物体，不但能扩大视野，而且能判断物体远近，产生立体感．这是因为人两只眼睛同时观察物体时，在视网膜上形成像并不完全相同，左眼看到物体左侧面较多，右眼看到物体右侧面较多，这两个像经过大脑综合以后就能区分物体前后、远近，从而产生立体视觉．13第13页要看到立体电影，要在每架电影机前装一块偏振片，它作用相当于起偏器．从两架放映机射出光，经过偏振片后，就成了偏振光．左右两架放映机前偏振片透振方向相互垂直，因而产生两束偏振光偏振方向也相互垂直．这两束偏振光投射到银幕上再反射到观众处，偏振方向不改变．观众用上述偏振眼镜观看，每只眼睛只看到对应偏振光图像，即左眼只能看到左机映出画面，右眼只能看到右机映出画面，这么就会像直接观看物体那样产生立体感觉．这就是立体电影原理．立体电影是用两个镜头如人眼那样从两个不一样方向同时拍摄下景物像，制成电影胶片．在放映时，经过两台放映机，把用两台摄影机拍下两组胶片同时放映，使这略有差异两幅图像重合在银幕上．这时如果用眼睛直接观看，看到画面是含糊不清．14第14页15第15页i

n1n2§3反射和折射偏振

试验发觉:反射光和折射光普通都是部分偏振光,反射光中垂直于入射面光振动占优.折射光中平行于入射面光振动占优.n1n2i0

当i为某一入射角i0时，反射光成为完全偏振光。布儒斯特定律16第16页两个相关结论1.入射角为i0时，折射光与反射光垂直。证：n1水n2玻璃i0

所以，光从玻璃向水界面入射时布儒斯特角就是光从水向玻璃界面入射时图中所表示折射角。2.光从水向玻璃界面入射时布儒斯特角为i0，问光从玻璃向水界面入射时布儒斯特角为多少？17第17页玻璃堆光从空气射向玻璃线偏振光18第18页巴托林（ErasmusBartholin）（1625—698）出生在丹麦罗斯基勃一个医生世家。他也像他父亲和弟兄一样都是医生，同时他在数学和物理学上也有贡献。从1657年到逝世，他在丹麦哥本哈根大学任医学教授。但使巴托林闻名于科学史事迹却与医学无关，而是在物理学上研究工作。物理史话—双折射1669年，巴托林得到了一块冰洲石。这是出产于冰岛方解石。他发觉，用冰洲石看到像都是双像。巴托林注意到，光线经过冰洲石变成了两条光线，他称这种折射现象为双折射。巴托林还发觉，当固定一个像时，另一个像围绕着它旋转。巴托林将这两条光线中固定像和“旋转像”对应光线分别称为寻常光线和非寻常光线。看上去，双折射现象没有什么神奇地方，但巴托林自己不能解释它，他认为这与牛顿光学理论是矛盾。其实当初光波动说也不能解释，直到半个世纪之后，新波动说才解释了这种现象。19第19页§4光双折射

一束入射光经一些晶体折射后可分成两束光线现象称为双折射。1.寻常光和非常光试验表明，双折射现象中两束折射光线都是线偏振光，分别称为寻常光和非常光。寻常光（o光）：

遵从折射定律非常光（e光）:普通不遵从折射定律折射面与入射面不一定重合。20第20页用偏振片检验o光和e光，发觉它们都是偏振光，但振动方向不一样，为了便于描述o光和e光偏振情况及其相互关系，需要引入几个与晶体相关概念。(1)光轴o光在晶体中各方向上速度相同,折射率n=c/u相同;e光各向速度不一样,折射率不一样.在晶体中有一个确定方向,o光和e光沿此方向传输速度相等,折射率相等,不发生双折射.o光折射率:e光折射率:注意：光轴仅标志一定方向，并不限于某一条特殊直线。双折射实质是o光和e光在晶体中传输速度不一样。21第21页1.在光轴方向

e光速度等于o

光速度，即等于vo2.在垂直光轴方向o光e光两个速度差异最大;与o光速度差异最大速度记做ve,

且ve为常数。v0<ve；或v0>ve而且有以下两种情况(2)负晶与正晶凡属v0<ve，（即n0>ne）晶体称为负晶。凡属v0>ve，（即n0

<ne）

晶体称为正晶。定义：为晶体对e光主折射率，即e光在垂直于光轴方向折射率。给出两个试验事实：22第22页方解石

1.48641.6584石英

1.55341.5443（对波长为589.3nm钠黄光）方解石晶体（负晶）CaCO3石英（正晶）23第23页光轴在入射面内光轴垂直入射面o光子波面一定是球面e光子波面必定不是球面

是什么样呢?o光子波面e光子波面e光子波面是以光轴为轴旋转椭球面v0<veo光在晶体中各方向上速度相同,e光各向速度不一样。思索在垂直光轴方向,o

光e光两个速度差异最大.e光垂直于光轴方向传输时，ve为常数。24第24页o光振动方向垂直于该光线（在晶体中）与光轴组成平面。

e光振动方向平行于该光线（在晶体中）与光轴组成平面。即o光振动方向垂直于主平面。即e

光振动方向在主平面内。(3)主平面光线与光轴组成平面叫该光线主平面25第25页o

光在晶体内任意点所引发波阵面是球面。即含有各向同性传输速率。e光在晶体内任意点所引发波阵面是椭球面。沿光轴方向与o光含有相同速率。e光波面o光波面光轴方向负晶如方解石CaCO3e光波面o光波面光轴方向正晶如石英SiO22.

惠更斯原理在双折射现象中应用———确定波阵面作图法v0<vev0>ve26第26页光轴AFEeO•eO•o光可用折射定律计算，e光不服从折射定律双折射平行光倾斜入射，光轴在入射面内，光轴与晶体表面斜交27第27页光轴AE•BF’E’•Fo光与e光沿同方向传输平行光垂直入射，光轴在入射面内，光轴平行晶体表面o光与e光含有相互垂直偏振方向,且速度相差最大.双折射OOee28第28页

i········cΔt光轴方解石晶体voΔtveΔt····o

eo

e光轴平行于晶体表面且垂直于入射面，

自然光斜入射方解石是负轴晶体（no>ne）ne为晶体对e光主折射率，即e光在垂直于光轴方向折射率。v0<ve29第29页例：用方解石晶体（负晶体）切成一个截面为正三角形棱镜，光轴方向如图所表示。若自然光以入射角i入射并产生双折射，试定性地分别画出o光与e光光路与振动方向。解

对负晶体，(n0>ne)则依据折射定律，e光折射角大于o光折射角；e光主平面现垂直图面，e光振动方向在主平面内,所以e光振动方向以点表示。e光o光o光振动方向垂直主平面，

o光主平面现也垂直图面，所以o光振动方向以线表示。30第30页3.1尼科尔棱镜结构如图取长度适当方解石晶体,将其两端天然晶面加以适当研磨,将晶体剖开,再用加拿大树胶将剖面粘合组成一长方形棱镜。3.2尼科尔棱镜原理利用棱镜双折射现象,将一束自然光分成寻常光和非常光,然后利用全反射原理把寻常光反射到棱镜侧壁上,只让非常光经过棱镜,从面而取得一束振动方向固定线偏振光。3.晶体偏振器件31第31页48o22o68oo光e光e光加拿大树胶n=1.550光轴e光方解石no=1.6584,ne=1.4864o光被吸收!全反射中学知识

1.

当光线由光密介质进入光疏介质，而角度大于临介角

C。2.折射率

n

介质临介角

C公式：全反射32第32页产生两束相互分开、振动相互垂直平面偏振光。3.3渥拉斯顿（Wollaston)棱镜结构：3.4渥氏棱镜作用：由两块光轴相互垂直方解石直角棱镜组成。光轴光轴ABD方解石是负轴晶体（no>ne）33第33页（1）光在两块方解石中都是垂直光轴传输。（2）当自然光垂直入射AB表面后，在第一块棱镜中o光和e光以不一样速度沿同一方向传输。方解石是负晶no>n树胶>ne（3）当它们先后进入第二块棱镜时，第一块棱镜中o光在第二块棱镜中变成e光，靠近法向;第一块棱镜中e光在第二块棱镜中变成o光，远离法向。3.5渥氏棱镜原理AB34第34页§5*偏振光干涉1.圆偏振光和椭圆偏振光两个同频率相互垂直线偏振光合成，依据它们相位差和振幅决定了其合成结果为圆偏振，或为椭圆偏振光。复习:两个同频率相互垂直分运动位移表示式消时间参数，得合运动普通是在2A1

(

x

向)、2A2

(

y

向)范围内一个椭圆。椭圆性质(方位、长短轴、左右旋

)在A1、A2确定之后,主要决定于

=

20-10。35第35页几个特殊情况：36第36页d线偏振光λ光轴1.1椭圆偏振光和圆偏振光取得方法线偏振光透过双折射晶片后形成o光和e光（两个同频率相互垂直线偏振光），它们相位差和振幅决定了其合成结果为圆偏振，或为椭圆偏振光。

yxAoAeAAoAe

光轴37第37页1.2波片(又称相位延迟片)波片是按一定要求切割（比如光轴平行于表面）晶体薄片。

经过厚为d晶片，o、e光产生相位差：AAoAe

光轴

o光和e光振幅，与晶片光轴和入射线偏振光振动方向夹角

相关：38第38页从晶片出射是两束传输方相同、振动方向相互垂直、频率相等、相位差为

线偏振光，AAoAe

光轴

经过厚为d晶片，o、e光产生相位差：(1)四分之一波片从线偏振光取得椭圆或圆偏振光（或相反）线偏振光

圆偏振光线偏振光

椭圆偏振光39第39页椭圆偏振光和圆偏振光定义：光矢量Ｅ

在沿着光传输方向前进同时，还绕着传输方向均匀转动。假如光矢量大小不停改变，使其端点描绘出一个椭圆，这种光称椭圆偏振光。假如光矢量大小保持不变，这种光称圆偏振光。右旋偏振光中光矢量旋转示意图ZoY40第40页(2)二分之一波片在/2片前1,3象限振动过/2片后2,4象限振动使线偏振光振动面转过2

角度。注意:/2波片/4波片必须指明波长经二分之一波片后，o光e

光相位差为，合成为线偏振光Ae入=Ae出

A0入A入光轴Ae入

A0出A出Ae出41第41页(3)椭圆偏振光与圆偏振光检偏用四分之一波片和偏振片P

可区分出入射光是

1.自然光或圆偏振光

2.部分偏振光或椭圆偏振光d偏振片P偏振化方向入射光42第42页椭圆与圆偏振光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(1)自然光与圆偏振光区分结论：以入射光方向为轴转动偏振片光强无改变。当入射光是自然光时：IoI1I2自然光o,e光偏振片光轴43第43页结论：以入射光方向为轴转动偏振片光强有改变，出现最大光强和消光现象。当入射光是圆偏振光时：PI2偏振片IoC圆偏振光I1线偏振光光轴44第44页(2)部分偏振光与椭圆偏振光区分当入射光是部分偏振光时：结论：以入射光方向为轴转动偏振片光强有改变，但无消光现象。IoI1I2部分偏振光部分偏振光偏振片光轴45第45页结论：以入射光方向为轴转动偏振片光强有改变，出现最大光强和消光现象。当入射光是椭圆偏振光时：光轴平行椭圆偏振光长轴或短轴放置PI1CI2Io椭圆偏振光线偏振光偏振片46第46页偏振光状态演示仪[演示装置]偏振光状态演示仪包含光学减震平台一个、半导体激光器（650nm）及固定架一套、起偏器和检偏器各一个、1/4波片（650nm）一个、步进电机控制调整架三个、光电接收系统及调整架一个、电控箱一个（三路控制输出、两路输入和USB接口）、计算机及专用软件。怎样区分出入射光是圆偏振光还是椭圆偏振光？47第47页①手动调整起偏器和检偏器，使它们偏振化方向相互垂直，即接收屏上出现消光；②在起偏器和检偏器之间插入l/4波片，转动l/4波片，重新使屏幕上出现消光状态；③l/4波片旋转45

,将检偏器旋转，屏幕上便出现一条近乎水平直线，说明经过检偏器光为圆偏振光，即光强不变。圆偏振光产生与判别48第48页旋转检偏器P249第49页椭圆偏振光产生与判别假如l/4波片旋角大于或小于45

，则检偏器旋转360

，屏幕上出现是一条余弦曲线，但曲线最低点光强不等于零，说明经过检偏器光为椭圆偏振光。50第50页2.1偏振光干涉装置

P1

出射光为线偏振光，经C

成为o、e

两束偏振光，再经P2后，发生干涉。2.

偏振光干涉d晶片C

偏振片P2

单色自然光偏振片P1偏振化方向光轴方向偏振化方向51第51页2.2偏振光干涉分析（1）振幅关系经过P2

后，两束光振动方向平行，振幅为：d晶片C

偏振片P2

单色自然光偏振片P1偏振化方向光轴方向偏振化方向P2P1CA1AeAo

P1

出射光为线偏振光，经C

成为o、e

两束偏振光，再经P2后，发生干涉。A2oA2e52第52页经过晶体C后两束光是相干光，相位差为：经过P2

后相位差为：（2）相位关系—相长干涉—相消干涉P2P1CA1AeAo

A2oA2e53