大学物理 课件 波动光学6

授课教师XXX第十三章波动光学第五节光的衍射第六节光的偏振第七节旋光现象第十三章波动光学13.3薄膜干涉掌握光的偏振的定义。掌握马吕斯定律。了解反射光和折射光的偏振。学

习

要

求情境与问题偏振镜在摄影中是不可或缺的工具，它能够帮助摄影师控制光线方向、提高照片色彩饱和度和画质，让照片更加清晰、明亮和饱满。下图是分别为使用（左）和未使用（右）偏振镜的拍摄效果。偏振镜的工作原理是什么呢？一、光的偏振状态光波是特定频率范围的电磁波，其电场矢量E和磁场矢量H相互垂直，且均垂直于传播方向，即电磁波是横波。由于光波对物质的感光作用和生理作用主要是由电场矢量E引起的，因此电场矢量又叫光矢量。光矢量的振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振。在垂直于传播方向的平面内，光矢量可能有不同的振动状态，各种振动状态通常称为光的偏振态。就其偏振状态加以区分，光可以分为三类：非偏振光、完全偏振光(简称偏振光)和部分偏振光。非偏振光非偏振光在垂直于传播方向的平面内，光矢量的分布各向均匀，且各个方向光矢量的振幅都相同，这种光又叫自然光。常根据振动分解的道理，用两个相互垂直且振幅相等的光振动来表示自然光。普通光源里大量原子或分子同时发光，且各个原子或分子每次发出的光波列的初相及光振动方向都是随机的，因此普通光源发出的光都是自然光。完全偏振光如果在垂直于其传播方向的平面内，光矢量E只沿一个固定的方向振动，这种光叫做线偏振光，简称偏振光，是完全偏振光的一种。图中是线偏振光的图示方法，其中短线表示光矢量在纸面内，点表示光矢量与纸面垂直。完全偏振光完全偏振光还包括椭圆偏振光和圆偏振光。这类偏振光在沿着传播方向前进时，其光矢量E会绕着传播方向均匀转动。如果光矢量末端在垂直于传播方向的平面上描绘出的轨迹呈椭圆形，则为椭圆偏振光；如果描绘出的轨迹呈圆形，则为圆偏振光。部分偏振光部分偏振光介于偏振光与自然光之间的状态，其中含有自然光和偏振光两种成分。一般地，部分偏振光都可看成是自然光和线偏振光的混合。自然界中的许多光都是部分偏振光，例如仰头看到的“天光”和俯首看到的“湖光”就都是部分偏振光。二、马吕斯定律实验室里获得线偏振光的器件叫做偏振片。偏振片是用人工方法制成的特殊薄膜。晶体（如硫酸金鸡钠硷）对相互垂直的两个光振动分量具有选择吸收的性能，称为二向色性。将这种晶体涂敷于透明薄片上，就成为偏振片。使得它只允许透过某一特定方向的光振动（此方向称为偏振化方向），而吸收与其垂直的光振动。偏振片还可以用来检查某一束光是否为偏振光，即作为检偏器。如图,使透过P1形成的线偏振光通过偏振片P2，如果将P2绕光的传播方向慢慢转动，透过P2的光强将随着P2转动而变化。当P2的偏振化方向平行于入射光的光矢量时，透过P2的光强最强；当P2的偏振化方向垂直于入射光的光矢量时，通过P2的光强为零，称为消光。将P2旋转一周时，透射光光强出现两次最强，两次消光。这种情况只有在入射到P2上的光是线偏振光时才会发生，因此成为识别线偏振光的依据。由起偏器产生的偏振光经过检偏器后，光强如何变化呢？设A1为线偏振光的光矢量振幅，当通过P1的线偏振光的光矢量方向与检偏器偏振化方向成θ角时，透过检偏器P2的光矢量振幅A应为A1在偏振化方向的投影，即A=A1cosθ。因此，以I1表示检偏器的入射光强，则其透射光强I为

例1：一强度为I0的自然光相继通过两偏振化方向夹角为30°的偏振片，求出射光的强度。

三、反射光与折射光的偏振当自然光在两种各向同性介质的分界面上发生反射和折射时，光的传播方向和偏振状态都要发生变化。一般情况下，反射光和折射光不再是自然光，而是部分偏振光。反射光中垂直于入射面的光振动较强，折射光中平行于入射面的光振动较强。理论和实验都证明，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i0时，反射光是光振动垂直于入射面的线偏振光，该入射角i0称为起偏角或布儒斯特角。

知识拓展光的偏振应用1.观看3D电影时要戴一副特制的眼镜，这副眼镜就是一对偏振向互相垂直的偏振片。3D电影用两个镜头如人眼那样从两个不同方向同时拍摄，制成电影胶片。放映时，通过两个放映机，把摄影机拍摄的胶片同步放映，使两幅图像重叠在银幕上。如果用眼睛直接观看，看到的画面是模糊不清的，要看到3D效果，需要在每架电影机前装一块偏振片，其作用相当于起偏器。这样从两架放映机射出的光，就变成了偏振光。测量与物理偏振光谱仪偏振光谱仪具有高精度、非接触、无损伤的特点，在材料科学、光学、化学、物理等多个领域有广泛的应用。其主要利用偏振光通过介质时，与介质相互作用而引起偏振态的变化。通过测量偏振光斜射入表面或两种介质的界面时其偏振态的变化，可以用于研究材料的光学性质，如吸收、旋光和移相等参数；还可以测量薄膜材料的折射率和厚度，材料