大学物理 课件 第十六章 光的偏振

演示实验方解石双折射16.2起偏和检偏马吕斯定律*16.4散射光的偏振*16.5由双折射引起的光的偏振教学内容16.1自然光和偏振光16.3反射和折射时光的偏振第16章光的偏振16.1.1

横波的偏振性

沿纵波的传播方向作任意平面，波的运动情况相同，具有对称性，即纵波的振动相对于传播方向是轴对称的。返回目录下一页上一页偏振

波的振动方向相对于传播方向的不对称性，叫偏振。波可以分为横波和纵波。振动面的概念振动方向与传播方向组成的平面。

光的干涉和衍射现象不能分辨光波是横波还是纵波，因为这两种波都能产生干涉现象16.1自然光和偏振光横波的振动相对于传播方向不是轴对称的。返回目录下一页上一页16.1.1

横波的偏振性返回目录下一页上一页把光分为五类：圆偏振光、椭圆偏振光、部分偏振光、线偏振光和自然光。16.1.1

横波的偏振性

16.1.2

自然光光振动的振幅在垂直于光波的传播方向上，既有时间分布的均匀性，又有空间分布的均匀性，具有这种特性的光就叫自然光。

自然光以两互相垂直的(方向是任选的)互为独立的（无确定的相位关系）振幅相等的光振动表示

,并各具有一半的振动能量,即每一独立光振动的光强都等于自然光光强的一半。自然光是非偏振光返回目录下一页上一页

16.1.3

线偏振光光波的光矢量只沿一个固定方向振动的光.振动面返回目录下一页上一页把自然光中两个互相垂直的独立光振动分量中的一个完全消除或移走，只剩下另一个方向的光振动,那么就获得了线偏振光.16.1.4部分偏振光

光在垂直于光的传播方向的平面内，各方向的振动都有，它们的振幅大小不相等，称为部分偏振光.返回目录下一页上一页返回目录下一页上一页

16.1.5线偏振光的获得通常由自然光获得线偏振光,其方法主要有三种:1.由二向色性物质的选择吸收产生线偏振光;2.由反射和折射产生线偏振光;3.由晶体的双折射产生线偏振光。

从自然光获得线偏振光的装置（或元件）称为起偏（振）器，用于检查线偏振光的装置（或元件）称为检偏（振）器。实际上起偏器和检偏器是可以互换的，它们仅仅是在光路中的作用不同而已。16.2.1偏振片的起偏和检偏

对某一方向的光振动有强烈的吸收，而对与之垂直的光振动则吸收很少，晶粒的这种性质称为二向色性.

偏振片：涂有二向色性材料的透明薄片.

16.2起偏和检偏马吕斯定律返回目录下一页上一页

自然光通过偏振片后即成为线偏振光，线偏振光的振动方向与偏振片的偏振化方向相同。此时的偏振片称为起偏器。

若入射自然光的光强为I0，其通过偏振片后，光强降为I0/2。返回目录下一页上一页16.2.1偏振片的起偏和检偏起偏器偏振化方向起

偏返回目录下一页上一页16.2.1偏振片的起偏和检偏偏振片也可用来检验某一光束是否为线偏振光，称为检偏。用作检验光的偏振状态的偏振片称为检偏器。①自然光通过起偏器后成为偏振光，这时旋转偏振片就可得到不同方向的偏振光。可是人眼对光振动的方向不敏感，无论怎样旋转偏振片，都感觉不到光强的变化。自然光、偏振光、部分偏振光的检验②如果入射的是线偏振光，若偏振化方向与线偏振光的振动方向成90°角，则线偏振光将完全不能通过。因此，当转动偏振片时，在视场中就可看到光强的明显变化，并有消光现象。返回目录下一页上一页16.2.1偏振片的起偏和检偏偏振片转一周消光线偏光部分偏光强度变，无消光自然光强度不变透光轴③如果入射的是部分偏振光，则转动偏振片时，视场中光强有变化，但不十分明显，无消光现象。返回目录下一页上一页16.2.1偏振片的起偏和检偏16.2.2马吕斯定律检偏器起偏器N1N2

马吕斯定律强度为的偏振光通过检偏振器后,出射光的强度为返回目录下一页上一页

注意两点：①入射光必须是线偏振光，不是自然光；②是与cos2α正比，而不是与cosα正比。返回目录下一页上一页16.2.2马吕斯定律应用：制成安全汽车灯；在大房间内的风洞上装上两块可自由旋转的偏振片，可使室内光线具有浪漫色彩。返回目录下一页上一页图16-8例16－1图16.2.2马吕斯定律返回目录下一页上一页图16-8例16－1图16.2.2马吕斯定律下一页上一页返回目录16.2.2马吕斯定律返回目录下一页上一页例16-2

一光束由线偏振光和自然光混合而成，当它通过偏振片时，发现透射光的光强依赖偏振片透光轴方向的取向可变化5倍。求：入射光束中两种成分的光的相对强度。解

设光束的总光强为I，其中线偏振光光强为I1，自然光光强为I0，则I=

I1

+

I0。通过偏振片后，自然光光强变为I0

/2,且与偏振片的透光轴取向无关。线偏振光的最大光强出现在偏振片的透光轴取向平行于线偏振光的振动方向时，大小为I1

，线偏振光的最小光强出现在偏振片的透光轴取向垂直于线偏振光的振16.2.2马吕斯定律返回目录下一页上一页动方向时，大小为零，故透过偏振片的混合光强最大为I0/2

+

I1，最小光强为I0/2

，所以有（I0

/2+

I1）

/I0/2=5，由此得到I1

：I0=2：1，即线偏振光I1

=2

I

/3

，自然光I0=I/3

。16.2.2马吕斯定律例16-3要使一束线偏振光通过偏振片后振动方向转过90°，至少需要让这束光通过几块理想偏振片？在此情况下，透射光强最大是原来光强的多少倍？解至少需要两块理想偏振片(如图所示).其中P1透光轴与线偏振光振动方向的夹角为α，第二块偏振片透光轴与P1透光轴夹角为(90°－α).设入射线偏振光原来的光强为I0，则透射光强当2α＝90°，即α＝45°时，

.返回目录下一页上一页16.2.2马吕斯定律16.3反射与折射时光的偏振返回目录下一页上一页自然光入射到两种各向同性的介质分界面上反射和折射时，反射光和折射光都是部分偏振光，在一定条件下，反射光有可能成为完全偏振光，即线偏振光。空气

入射面入射光线和法线所成的平面.空气

反射光部分偏振光，垂直于入射面的振动大于平行于入射面的振动.

折射光

部分偏振光，平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动.理论和实验证明：反射光的偏振化程度与入射角有关.光反射与折射时的偏振16.3反射与折射时光的偏振返回目录下一页上一页实验发现空气布儒斯特定律（1812年）反射光为完全偏振光，且振动方向垂直入射面，折射光为部分偏振光。当时，（1）反射光和折射光互相垂直.讨论返回目录下一页上一页16.3反射与折射时光的偏振

2）根据光的可逆性，当入射光以角从介质入射于界面时，此角即为布儒斯特角.返回目录下一页上一页16.3反射与折射时光的偏振返回目录下一页上一页16.3反射与折射时光的偏振

注意

对于一般的光学玻璃,反射光的强度约占入射自然光中垂直振动光强的15%

,折射光占有入射自然光中垂直振动光强的85%

和平行振动的全部光强.利用玻璃片堆产生线偏振光返回目录下一页上一页16.3反射与折射时光的偏振

下一页上一页返回目录16.3反射与折射时光的偏振例16-5

利用布儒斯特定律可以测定不透明介质（如珐琅等釉质）的折射率，当一束平行自然从空气中以

入射到某介质材料表面时，检验出反射光是线偏振光，求该介质的折射率。解

根据布儒斯特定律所以下一页上一页返回目录16.3反射与折射时光的偏振例16-6如图所示为一玻璃三棱镜，材料的折射率为n＝1.50，设光在棱镜中传播时能量不被吸收.问：(1)一束光强为I0的单色光，从空气入射到棱镜左侧界面折射进入棱镜.若要求入射光全部能进入棱镜，对入射光和入射角有何要求？(2)若要求光束经棱镜从右侧折射出来，强度仍保持不变，则对棱镜顶角有何要求？返回目录下一页上一页16.3反射与折射时光的偏振解

(1)

要求入射光是振动方向平行于入射面的线偏振光.入射角i01为(2)投射到界面AC的起偏振角i02为因为

从图上的几何关系可以看出返回目录下一页上一页16.3反射与折射时光的偏振

分子中的一个电子振动时发出的光是偏振的，它的光振动方向总是垂直于光的传播方向(横波)，并和电子的振动方向在同一个平面内.但是，往各方向发出的光强度不同：在垂直于电子振动的方向，强度最大；在沿电子振动的方向，强度为零.

一束光射到一个微粒或分子上，就会使其中的电子在光束内的电场矢量的作用下振动.此类振动中的电子会向其周围四面八方发射同频率的电磁波，即光.这种现象叫做光的散射.*16.4散射光的偏振返回目录下一页上一页右图表示了这种情形，O处有一电子沿竖直方向振动，它发出的球面波向四周传播，各条光线上的短线表示该方向上光振动的方向，短线的长短大致表示该方向上光振动的振幅.

振动的电子发出的光的振幅和偏振方向示意图返回目录下一页上一页

按照电磁理论，每个散射光波的振幅是与它的频率的平方成正比，而其光强又和它的振幅的平方成正比，所以散射光的强度和光的频率的4次方成正比.

*16.4散射光