光学与波动学-第五章-光的偏振概述.ppt

1、1,本讲内容,光的偏振状态 线偏振光的获得与检验 反射和折射时光的偏振 双折射现象,2,沿各个可能方向光矢量 的分布均匀、大小（振幅）相等的光。,一、光的偏振状态,1. 自然光（非偏振光）,光强特点：,( 是总光强）,表示法：,自然光可分解为两个垂直的、 振幅相等的独立光振动。,3,2. 完全偏振光 (1)线偏振光,光矢量 只沿一个固定的方向振动的光。,振动面：,线偏振光的光矢量振动方向和光的传 播方向组成的平面。,4,线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：,表示法：,5,(2). 圆偏振光（circularly polarized light）和,线、圆和椭圆偏振光均称为完全偏振光。,椭圆偏振

2、光（elliptically polarized light）,6,为某个确定值的线偏振光的合成。,圆和椭圆偏振光可看成是两束频率相同、,传播方向一致、,振动方向相互垂直、,相位差,相位差 /2或3 /2,和 2,7,3 部分偏振光,表示法：,自然光和完全偏振光的混合，就构成了部分,最常讨论的部分偏振光可看成是自然,光和线偏振光的混合，,偏振光。,反射光就是这种部分偏振光，,天空的散射光和水面的,它可以分解如下：,8,二 线偏振光的获得与检验,1. 起偏, 起偏的原理：利用某种光学的不对称性, 偏振片（Polaroid）P（获得线偏振光）：,微晶型：,分子型：, 起偏器（polarizer）：

3、起偏的光学器件,从自然光获得偏振光,9,2、马吕斯定律,马吕斯 ( Etienne Louis Malus 1775-1812 ),马吕斯从事光学方面的研究。1808年发现反射时光的偏振，确定了偏振光强度变化的规律（现称为马吕斯定律）。他研究了光在晶体中的双折射现象，1811年，他与J.毕奥各自独立地发现折射时光的偏振，提出了确定晶体光轴的方法，研制成一系列偏振仪器。,法国物理学家及军事工程师。出生于巴黎，1796年毕业于巴黎工艺学院，曾在工程兵部队中任职。1808年起在巴黎工艺学院工作。1810年被选为巴黎科学院院士，曾获得过伦敦皇家学会奖章。,非偏振光I0,线偏振光 I,偏振化方向 （通光

4、方向）, 线偏振光,的起偏：,10,2. 马吕斯定律（Malus law）,I0,I, 马吕斯定律（1809）, 消光,11,3. 线偏振光的检偏,检偏：用偏振器件检验光的偏振态,然光混合而成的部分偏振光,设入射光可能是自然光,线偏振光,或由线偏振光与自,或,I 不变？,I 变，无消光？,I 变，有消光？,是自然光,是线偏振光,是部分偏振光,12,4. 偏振片的应用,偏振片的应用很多，例如：, 作为照相机的滤光镜，可以滤掉不必要的,反射光。, 制成偏光眼镜，可观看立体电影。, 若在所有汽车前窗玻璃和大灯前都装上与, 作为许多光学仪器中的起偏和检偏装置。,可以避免汽车会车时灯光的晃眼。,地面成4

5、5角、且向同一方向倾斜的偏振片，,13,立体电影,14,例1 P221例5.1,15,例2 用两偏振片装成起偏器和检偏器，在它们的 偏振化方向成 时，观测一束单色自然 光，又在 时，观测另一束单色自然光 设两次所得的透射光强度相等，求两入射光 束强度之比。,起偏器,检偏器,16,起偏器,检偏器,解：,设两单色自然光的入射光强分别为,自然光通过第一个偏振片（起偏器）后,透射光强：,线偏振光通过第二个偏振片（检偏器）后,透射光强：,17,三 反射和折射光的偏振,1. 反射和折射时光的偏振,反射光垂直入射面的分量（S）比例大，,折射光平行入射面的分量（P）比例大，,入射角i 变,反射、折射光的偏振度

6、也变。,18,i = i0 时，反射光只有S分量：,i0 布儒斯特角（Brewster angle）或 起偏角,i0 +r0 = 90,由,有, 布儒斯特定律 （1812年）,（Brewster Law）,思考：,如果自然光沿折射线反向入射，则反射光如何？,19,注意：,1）当入射角为布儒斯特角时，反射光为振动方向垂直入射面的线偏振光，而折射光仍为振动方向平行于入射面的成分占优势的部分偏振光。,2）要注意布儒斯特角与全反射角的区别：,两者条件不同。全反射时对n1 、 n2 有要求；而布儒斯特角无此要求；,入射角大于全反射角时都会发生全反射，但只有入射角为布儒斯特角时反射光才是完全线偏振光。,2

7、0,2 应用：（1）可由反射获得线偏振光（玻璃片就是起偏器）,例如激光器中的布儒斯特窗,（2）可测不透明媒质折射率,（3）反射光是部分偏振光，,利用偏振片可消去大部 分反射光（如镜头前加 偏振片、偏光望远镜等）。,21,有反射光干扰的橱窗,在照相机镜头前加偏振片消除了反射光的干扰,22,（4）利用玻璃片堆从透射光可获得较强线偏振光。,理论实验表明：反射所获得的线偏光仅占入射垂直分量能量的15%，而约占85%的垂直分量和全部平行分量都折射到玻璃中。,23,i,1. 双折射：,n1,n2,ro,re,(各向异 性介质),自然光,o光,e光,2.寻常（o）光和非寻常（e）光,o光 ： 遵从折射定律,

8、e光 ： 一般不遵从折射定律,e光折射线也不一定在入射面内。,射到各向异性介质时，,四 双折射（birefringence）现象,一束光入,折射光分成两束的现象。,24,方解石,o,e,演示,以入射方向为 轴旋转方解石,双折射的两 束光振动方 向相互垂直,方解石的双折射（KG029，KG025）,25,双折射会映射出双像：,26,当方解石晶体旋转时，,e光的像围绕 o 光的像旋转。,o 光的像不动，,27,继续旋转方解石晶体：,28,继续旋转方解石晶体：,29,继续旋转方解石晶体：,30,继续旋转方解石晶体：,31,3. 晶体的光轴（optical axis of crystal）,当光在晶体

9、内沿某个特殊方向传播时不发,光轴是一个特殊的方向，,单轴晶体：只有一个光轴的晶体，如方解石。,双轴晶体：有两个光轴的晶体，如云毋。,该方向称为晶体的光轴。,生双折射，,于此方向的直线均为光轴。,凡平行,32,4. 主平面（principal plane）,晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面,叫该束光的主平面。,33,例3 一束光是自然光和线偏振光的混合光，让它垂直通过一偏振片若以此入射光束为轴旋转偏振片，测得透射光强度最大值是最小值的5倍，那么入射光束中自然光与线偏振光的光强比值为 (A) 1 / 2 (B) 1 / 3 (C) 1 / 4 (D) 1 / 5, A ,34,例4 在双缝干

10、涉实验中，用单色自然光，在屏上形成干涉条纹若在两缝后放一个偏振片，则 (A) 干涉条纹的间距不变，但明纹的亮度加强 (B) 干涉条纹的间距不变，但明纹的亮度减弱 (C) 干涉条纹的间距变窄，且明纹的亮度减弱 (D) 无干涉条纹, B ,35,例5 某一块火石玻璃的折射率是1.65，现将这块玻璃浸没在水中（n=1.33）。欲使从这块玻璃表面反射到水中的光是完全偏振的，则光由水射向玻璃的入射角应为_ 例6 当一束自然光以布儒斯特角入射到两种媒质的分界面上时，就偏振状态来说反射光为_光，其振动方向_于入射面 例7 在双折射晶体内部，有某种特定方向称为晶体的光轴光在晶体内沿光轴传播时，_光和_光的传播速度相等,线（完全）偏振,垂直,寻常光,非寻常光,36,例8 如图，P1、P2为偏振化方向间夹角为a 的两个偏振片光强为I0的平行自然光垂直入射到P1表面上，则通过P2