自然光线偏振光.ppt

1 波动光学 Wavemotionoptics 2 本章开始的研究对象 光 光是什么 近代物理认为 光既是一种波动 电磁波 又是一种粒子 光子 就是说 光是具有波粒二象性的统一体 光学通常分为几何光学 波动光学和量子光学三部分 我们首先研究光的波动性 波动光学是当代激光光学 信息光学 非线性光学和很多应用光学的重要基础 波动最重要的特征是具有干涉 衍射和偏振现象 引子 3 可见光 即能引起人的视觉的电磁波 它的频率在3 9 1014 7 7 1014Hz之间 相应真空中的波长在7700 3900 之间 不同频率的光 颜色也不同 频率与颜色如表19 1所示 4 就能量的传输而言 光波中的电场E和磁场H是同等重要的 但实验证明 引起眼睛视觉效应和光化学效应的是光波中的电场 所以我们把光波中的电场强度E称为光矢量 或光振动 在波动光学中 光强定义为 5 第19章 6 一 原子的发光 光是光源中的原子或分子从高能级向低能级跃迁时发出的 原子发出的光是一个有限长的波列 19 1原子发光模型 7 2 激光光源 受激辐射 将在近代物理中讨论 3 同步辐射光源 1 普通光源 自发辐射 随机 独立 二 光源 8 19 2光波列的频谱宽度 由付里叶积分可以证明 频宽 光波列长度 x c t 可见 波列愈长 其单色性愈好 实际谱线宽度大大超过上述自然宽度 原因一是原子间的碰撞是激发态寿命 t 缩短 二是运动原子发出的光有多普勒频移 它不是单色光 实际是由某一中心波长 o附近的许多不同频率的单色光组成 9 由v c 有 x c t 10 19 3光的偏振态 光波是横 电磁 波 光波中光矢量 电场 的振动方向与光的传播方向垂直 偏振 研究光矢量在垂直于传播方向的平面内的振动状态 偏振态 最常见的偏振光有五种 自然光 线偏振光 部分偏振光 椭圆偏振光和圆偏振光 11 一 自然光部分偏振光线偏振光 普通光源发出的光 阳光都是自然光 由于原子发光的间歇性和无规则性 使得普通光源发出的光的光矢量在垂直于传播方向的平面内以极快的速度取0 360 内的一切可能的方向 且没有哪一个方向占有优势 具有上述特性的光 称为自然光 自然光的表示法 用两个独立的 无确定相位关系 相互垂直的等幅振动来表示 图19 2中 圆点表示垂直于纸面的振动 短线表示平行于纸面的振动 12 将自然光中两个相互垂直的等幅振动之一部分移去得到的光 称为部分偏振光 完全偏振光 线偏振光 平面偏振光 的表示法 将自然光中两个相互垂直的等幅振动之一完全移去得到的光 称为完全偏振光 部分偏振光的表示法 13 二 椭圆偏振光和圆偏振光 光矢量在垂直于光的传播方向的平面内 按一定频率旋转 左旋或右旋 如果光矢量的端点轨迹是一个椭圆 这种光叫做椭圆偏振光 如果光矢量端点轨迹是一个圆 这种光叫做圆偏振光 如图19 5所示 这相当于两个相互垂直的有确定相位关系的振动的合成 14 19 4偏振片马吕斯定律 一 偏振片的起偏和检偏 偏振片的构造 将硫酸碘金鸡钠霜晶粒定向排列并蒸镀在透明基片上 就制成偏振片 偏振片的特性 能吸收某一方向的光振动而仅让与此方向垂直的光振动通过 15 若以光传播方向为轴 慢慢旋转检偏片 观察透过偏振片的光 偏振片既可用作起偏器 又可用作检偏器 光强无变化的是自然光 光强有变化 但最小值不为零的是部分偏振光 光强有变化 但最小值为零 消光 的是线偏振光 16 I Eocos 2 Iocos2 马吕斯指出 强度为Io的线偏振光 透过检偏片后 透射光的强度 不考虑吸收 为 I Iocos2 19 1 式中 是入射线偏振光的光振动方向和偏振片偏振化方向之间的夹角 上式称为马吕斯定律 证明如下 2 马吕斯定律 17 例题19 1自然光连续通过两个叠在一起的偏振片后 透射光强为入射光强的四分之一 求两个偏振片偏振化方向之间的夹角 解设两偏振片偏振化方向间的夹角为 于是 由 解得 45 or135 18 例题19 2强度为Io自然光连续通过三个叠在一起的偏振片A B C A C 求最大透射光强 解设偏振片A B偏振化方向间的夹角为 有 透射光强为 可见最大透射光强为 19 解透射光强 20 因A为锐角 且 A 显然A 2 A 所以 极值条件 由 得 显然此时I有极大值 21 例题19 4一束光是自然光和线偏振光的混合 当它通过一偏振片后 测得最大透射光强是最小透射光强的5倍 求入射光中自然光和线偏振光的光强之比 解设入射光中自然光的光强为I1 线偏振光的光强为I2 则透射光强 即入射光中自然光和线偏振光的光强之比为1 2 22 19 5反射和折射时光的偏振布儒斯特定律 一般情况下 反射光和折射光都是部分偏振光 在反射光中 垂直振动多于平行振动 在折射光中 平行振动多于垂直振动 这里所说的 垂直 和 平行 是对入射面而言的 一 由反射和折射获得偏振光 23 1812年 布儒斯特由实验证明 当入射角是某一个特定角io时 反射光成为只有垂直振动的线偏振光 角io称为布儒斯特角 或起偏角 实验证明 此时入射角io和反射角r之和恰为90 反射光线 折射光线 即io r 90 19 2 二 布儒斯特定律 24 io r 90 上式称为布儒斯特定律 25 布儒斯特角不同于全反射的临界角 当且仅当时 反射光才是线偏振光 且n1 n2或n1 n2都可以 26 例题19 5画出下列图中的反射光和折射光 图19 13 27 例题19 6填空 1 平行光以60o的入射角由空气射向一平板玻璃 发现反射光是完全偏振光 则折射光的折射角为 玻璃的折射率为 2 某透明媒质对空气全反射的临介角为45o 则光从空气射向该媒质时的布儒斯特角为 因io r 90o 所以折射角r 30o 又 30o 所以io tg 1 54 7o 28 19 6光在晶体中的双折射 有些透明媒质 如玻璃 水 肥皂液等 不论光沿哪个方向 传播速度都是相同的 媒质只有一个折射率 这样的媒质称为光学各向同性媒质 同时还存在另一类媒质 主要是透明晶体物质 如方解石 化学成分是CaCO3 石英 云母 硫磺等 光在其中传播时 沿着不同方向有不同的传播速率 这样的媒质称为光学各向异性媒质 光在晶体中的双折射现象就是光学各向异性的表现 一 双折射现象光线进入光学各向异性媒质 如方解石 后产生两条折射光线的现象 称为双折射现象 29 二 o光和e光两条折射光线中有一条遵守通常的折射定律 n1sini n2sinr 折射光线在入射面内 这条光线称为寻常光线 ordinaryrays 简称o光 另一条光线不遵守通常的折射定律 它不一定在入射面内 这条光线称为非常光线 extraordinaryrays 简称e光 30 1 o光和e光都是线偏振光 振动方向相互垂直 2 产生双折射的原因 o光和e光的传播速度不同 o光在晶体中各个方向的传播速度相同 因而折射率no c o 恒量 e光在晶体中的传播速度 e随方向变化 因而折射率ne c e是变量 随方向变化 由于o光和e光的折射率不同 故产生双折射 31 三 光轴主截面主平面 实验发现 在晶体内部存在着某些特殊的方向 光沿着这些特殊方向传播时 不发生双折射现象 这个特殊方向称为光轴 应该注意 光轴仅标志一定的方向 并不限于某一特殊的直线 只有一个光轴的晶体 称为单轴晶体 如方解石 石英 红宝石等 有两个光轴的晶体称为双轴晶体 如云母 硫磺 蓝宝石等 由光轴与该晶面的法线所组成的平面 叫做该晶体的主截面 32 某光线的传播方向和光轴方向所组成的平面叫做该光线的主平面 当光线在晶体的主截面内入射时 主截面 o光和e光的主平面均重合 我们主要讨论这种情况 o光的光振动方向垂直于自己的主平面 e光的光振动方向平行于自己的主平面 o光和e光的光振动方向是相互垂直的 33 例题19 7图示为一渥拉斯顿棱镜的截面 它是由二块锐角均为45o的直角方解石棱镜粘合其斜面而构成的 棱镜ABC的光轴平行于AB 而棱镜ADC的光轴垂直于图截面 方解石对o光和e光的折射率分别为no 1 658 ne 1 486 当自然光垂直AB入射时 问 1 图中哪一条是o光 哪一条是e光 2 e o o e 解 1 如图16 18所示 2 nosin45o nesinrenesin45o nosinro解得 re 52o ro 39o于是 52o 39o 13o 45o 34 四 惠更斯原理研究双折射现象 作图方法1 o光在各个方向的传播速度