光学 第五章 光的偏振1

1、光 学,2014年12月,光 学,第一节 自然光和偏振光,根据电磁波理论，光是横波，即振动的电矢量或磁矢量与波的传播方向垂直。这样就会出现振动矢量在垂直于光的传播方向的平面内有方向选择的现象，这就是所谓光的“偏振性”。事实上，广义光的偏振应该包括五种状态：,（1）线偏振光,1、偏振光概述,（2）圆偏振光,（3）椭圆偏振光,（4）自然光,（5）部分偏振光,第一节 自然光和偏振光,（1）线偏振光,1、偏振光概述,任一点电场矢量末端的轨迹是同一方位的直线,光场中任一点电场振动方程为：,它在所选取的坐标系上的分量为,是光角频率,（2）圆偏振光,第一节 自然光和偏振光,1、偏振光概述,任意一点电场振动方

2、程可以表示成所选取的坐标系上的分量,光场中任一点电场矢量末端的轨迹是圆,（3）椭圆偏振光,第一节 自然光和偏振光,1、偏振光概述,任意一点电场矢量的振动方程可以表示成所选取的坐标系上的分量,光场中任一点电场矢量末端的轨迹是椭圆,第一节 自然光和偏振光,1、偏振光概述,线偏振光、圆偏振光是椭圆偏振光的特殊情况。,规定：当迎着光的传播方向观察时，如果电场的电矢量末端描出的椭圆轨迹是沿顺时针方向旋转，称之为右旋偏振光，反之称之为左旋椭圆偏振光,右旋偏振光,左旋偏振光,第一节 自然光和偏振光,1、偏振光概述,（4）自然光,光束中任一点包含了所有方向的横向电矢量振动，对于光的传播方向形成对称分布。各个方

3、向的电矢量之间的相位是随机的，即彼此间没有固定的相位关联。,第一节 自然光和偏振光,1、偏振光概述,（5）部分偏振光,光束中各点包含了所有方向的横向电矢量振动，但对于光的传播方向形成不对称分布。同时，各个方向的电矢量之间的相位是随机的，即彼此间没有固定的相位关联。,第一节 自然光和偏振光,1、偏振光概述,（1）偏振片的作用,产生偏振光起偏器,检测偏振光检偏器,（2）偏振片工作原理,以机械波为例,当横波穿过栅状物体时，如果物体结构对波的震动方向没有阻碍，波将通过，,第一节 自然光和偏振光,2、偏振片,有阻碍时，波的振幅被削弱。,光的偏振片工作原理：对某一方向的电矢量可以透过，与这一电矢量正交方向

4、的电矢量将被吸收或被偏转。,偏振片中可以透过电矢量的方向称做偏振片的光轴。,（3）偏振片的实现,第一节 自然光和偏振光,2、偏振片,能够形成这样功能的材料有天然的和人工制造的。,（3）偏振片的实现,第一节 自然光和偏振光,2、偏振片,天然材料主要有：,二向色性材料对于振动方向不同电矢量有选择的吸收，例如电气石,双折射晶体振动方向不同电矢量在晶体中传播方向不同，例如石英，方解石等,界面的反射和折射振动方向不同的电矢量反射率或透射率不同,能够形成这样功能的材料有天然的和人工制造的。,一种人造偏振片原理是，将聚氯乙烯薄膜沿一个方向拉伸，然后在碘的溶液中浸泡，干燥后就可以成为偏振片。,（3）偏振片的实

5、现,第一节 自然光和偏振光,2、偏振片,拉伸,碘液浸泡,能够形成这样功能的材料有天然的和人工制造的。,一种人造偏振片原理是，将聚氯乙烯薄膜沿一个方向拉伸，然后在碘的溶液中浸泡，干燥后就可以成为偏振片。,（3）偏振片的实现,第一节 自然光和偏振光,2、偏振片,形成碘链,光轴方向？,线偏振光：,设偏振方向与偏振片光轴方向夹角为 ，,出射光强为,偏振方向与偏振片光轴一致, 马吕斯定律,入射光强为,出射光强随着光轴的转动而变化，最大光强为I0，最小光强为零，称作消光,第一节 自然光和偏振光,3、五种偏振光入射到偏振片后出射光情况,设光的振动方程为,则出射的偏振光振动方程为,圆偏振光：,出射光强为,总的

6、振幅为：,加入偏振片后任一时刻透过的振幅为,入射光的振幅可以表示为,当圆偏振光入射到偏振片上时，随着偏振片旋转，出射光的光强不发生变化,总的光强为：,第一节 自然光和偏振光,3、五种偏振光入射到偏振片后出射光情况,当椭圆偏振光入射到偏振片上时，随着偏振片旋转，出射光的光强将发周期性的大小变化，当偏振片光轴方向和椭圆长轴方向一致时，出射光强最大，当光轴方向和椭圆短轴方向一致时，出射光光强最小。,对于部分偏振光，定义偏振度的概念：,第一节 自然光和偏振光,椭圆偏振光：,是透过偏振片最大光强,是透过偏振片最小光强,部分偏振光：,当部分偏振光入射到偏振片上时，随着偏振片旋转，出射光的光强将发周期性的大

7、小变化，但无消光位置。,3、五种偏振光入射到偏振片后出射光情况,当自然光入射到偏振片上时，随着偏振片旋转，出射光的光强不发生变化，与圆偏振光相似。,第一节 自然光和偏振光,自然光：,可以将自然光中所有的电矢量向正交的XY方向投影：,X和Y方向总的电场Ex和Ey为多少？,各个方向的电矢量不相干，所以电场不能相加，但可以将其光强进行叠加,3、五种偏振光入射到偏振片后出射光情况,设入射到偏振片的自然光光强为 I0，则：,第一节 自然光和偏振光,自然光：,从偏振片出射的光强：,等价电场分量：,从偏振片出射的电场振幅：,3、五种偏振光入射到偏振片后出射光情况,1、菲涅耳反射、折射公式,第二节 光的反射和

8、折射偏振态,p 分量振幅反射率,p 分量振幅透射率,s 分量振幅反射率,s 分量振幅透射率,第二节 光的反射和折射偏振态,1、菲涅耳反射、折射公式,斯托克斯公式,电场能量比关系,光强透射率,光强反射率,能流透射率,能流反射率,能量守恒,第二节 光的反射和折射偏振态,1、菲涅耳反射、折射公式,从空气入射到玻璃,-1,以上公式规律可以用函数曲线直观的反映出来，例如玻璃和空气界面的反射,第二节 光的反射和折射偏振态,1、菲涅耳反射、折射公式,从玻璃入射到空气,r,第二节 光的反射和折射偏振态,1、菲涅耳反射、折射公式,光强反射率与入射角的关系,1,1,0,90,从光疏介质入射到光密介质,从光密介质入

9、射到光疏介质,第二节 光的反射和折射偏振态,1、菲涅耳反射、折射公式,qB,qC,从光疏介质入射到光密介质,p,qB,90,反射光相位与入射角的关系,从光密介质入射到光疏介质,第二节 光的反射和折射偏振态,1、菲涅耳反射、折射公式,2、反射光偏振态的变化,第二节 光的反射和折射偏振态,反射光的菲涅耳公式：,是入射光的两个正交分量,是反射光的两个正交分量,可以证明反射光两个正交分量振幅比：,当,反射光中仅剩垂直入射面电场分量，反射光为线偏振光。,此时,第二节 光的反射和折射偏振态,当,当,两种情况都表明：,2、反射光偏振态的变化,第二节 光的反射和折射偏振态,反射光正交分量的比例小于入射光正交分

10、量的比例,如果入射光是自然光，,反射光是部分相干光,2、反射光偏振态的变化,第二节 光的反射和折射偏振态,如果入射光是线偏振光:,当,当,从光疏介质入射到光密介质,2、反射光偏振态的变化,第二节 光的反射和折射偏振态,如果入射光是线偏振光:,当,当,从光密介质入射到光疏介质,2、反射光偏振态的变化,第二节 光的反射和折射偏振态,如果入射光是圆偏振光:,出射光一般为椭圆偏振光,如果入射光是椭圆偏振光:,出射光一般为椭圆偏振光,3、透射光偏振态的变化,根据界面折射反射时的能量守恒定律,并结合反射偏振变化情况，可以分析出透射光的偏振变换,和斯托克斯公式,2、反射光偏振态的变化,1）P分量和S分量不一致、反射时的跃变，将会改变入射光的偏振态,2）自然光入射时，反射光和折射光一般是部分偏振光,3）入射光是圆偏振光时，反射光和折射光一般是椭圆偏振光,4）入射光是线偏振光时，反射光和折射光一般仍然是线偏振光，但偏振方向可能发生改变,5）全反射时，如果入射的是线偏振光，反射光一般是椭圆偏振光,6）无论什么偏振光入射，当以布儒斯特角入射时，反射光都为线偏振光，偏振态垂直与入射面,4、反射和折射时偏振态的变化总结,第二节 光的反射和折射偏振态,当光以布儒斯特角入射