上海交通大学大学物理课件16光学(偏振)

1、16.1 光的传播与偏振光的传播与偏振16.2 光的干涉光的干涉16.3 光的衍射光的衍射v 十七世纪下半叶牛顿：光的微粒说惠更斯：光的波动说十九世纪初托马斯 杨：双缝干涉实验、直边衍射现象菲涅尔：光的波动理论十九世纪中叶麦克斯韦：光的电磁波理论十九世纪末二十世纪初爱因斯坦：光子假设 光的量子说 简短的历史回顾几何光学: 以光的直线传播为基础，研究光在透明介质中的传播问题。波动光学: 以光的波动性为基础，研究光的传播及其规律。量子光学: 以光和物质相互作用时所显示出的粒子性为基础，来研究光的一系列规律。现代光学:反映了光学进一步与各个科技领域的紧密结合。16.1 原子发光模型 一、光源和光谱:

2、光源：发光的物体类型： 普通光源(自发辐射) 激光光源(受激辐射)热（辐射）光源白炽灯、弧光灯、太阳非热辐射光源（冷光源）气体放电管、日光灯、萤火虫v 光谱光的强度按频率（或波长）的分布光源种类：1、线谱(或带谱)光源，如气体放电管、钠光灯、水银灯、日光灯等；2、连续谱光源（或热辐射光源）如白炽灯、弧光灯、太阳等。H2HgNa400nm500nm600nm700nm原子发光激发态寿命 10-1110-8 s自发辐射一定频率，长度有限的光波列hEE12二、原子发光模型E1E2基态激发态能级sJh 341063.6普朗克常数:原子光波列tcx普通光源发光的两个特点：随机性：不同原子的发光是随机的，

3、同一原子先后每次的发光也是随机的, 所发出的各波列在振动方向, 频率, 振幅和振动初位相都各不相同。间歇性：各原子发光是断断续续的,平均发光时间t 约为10-8秒,所发出的是一段一段长为 L=ct 的光波列。普通光源发光:大量原子持续、随机地发射的光波列 ：频谱宽度或理论可证明：2kx2k波矢 0oII0I0 /2有限长的单色波列tcx0222k2 x单色波: t, 0 或 x, 0 一、（完全）偏振光一、（完全）偏振光1、线偏振态（平面偏振态）、线偏振态（平面偏振态）光矢量在传播中始终保持在一个固定平面上振光矢量在传播中始终保持在一个固定平面上振动。动。垂直垂直平行平行 （状态）（状态） 偏

4、振方向偏振方向其振动方向称为光的其振动方向称为光的 , ,E E指电矢量指电矢量光矢量：光矢量：2、圆偏振态、圆偏振态光矢量绕着光的传播方向旋转，光矢量的端点光矢量绕着光的传播方向旋转，光矢量的端点轨迹是一个圆轨迹是一个圆右旋圆偏振光与左旋圆偏振光右旋圆偏振光与左旋圆偏振光:右旋圆偏振光右旋圆偏振光迎着光线看，矢量顺时针转的称右旋圆偏振迎着光线看，矢量顺时针转的称右旋圆偏振光光, 光矢量逆时针转的称左旋圆偏振光光矢量逆时针转的称左旋圆偏振光 y y /2某一时刻某一时刻 E 的波形图如下，判断是左旋还是的波形图如下，判断是左旋还是 旋圆偏振光旋圆偏振光右旋右旋 yz 0左旋左旋tEExcost

5、EEysinxyE圆圆偏振态偏振态可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、周相差为、周相差为 /2/2 线偏振光。线偏振光。圆偏振光波不仅携带能量和动量，还有角动量圆偏振光波不仅携带能量和动量，还有角动量3、椭圆偏振态、椭圆偏振态 光矢量绕着光的传播方向旋转，光光矢量绕着光的传播方向旋转，光矢量的端点轨迹是一个椭圆。矢量的端点轨迹是一个椭圆。 也有右旋椭圆偏振光与左旋椭圆偏振光也有右旋椭圆偏振光与左旋椭圆偏振光右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光 椭圆偏振态可分解为两束振动方向相椭圆偏振态可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、周相差恒定的互垂直的、不等幅的、周

6、相差恒定的 线偏振光线偏振光的叠加。的叠加。二个相互垂直、同频率、相位差确定的线偏振光的叠加二个相互垂直、同频率、相位差确定的线偏振光的叠加0424345472320coskxtEEzz当当 时为椭圆偏振光时为椭圆偏振光, 0当当 ，且振幅相等时为圆偏振光，且振幅相等时为圆偏振光210coskxtEEyy椭圆（圆）偏振光椭圆（圆）偏振光12 光源上一个原子一次发出的是一个光源上一个原子一次发出的是一个线偏振光线偏振光 波波列，持续时间约列，持续时间约10-8秒。秒。各原子是各原子是独立地独立地、随机地随机地发光的。光矢量的发光的。光矢量的大小、方向、初位相等等也是随机的。大小、方向、初位相等等

7、也是随机的。在我们观察的时间在我们观察的时间 t 内内,在哪个方向都不占在哪个方向都不占优势了，它们对其传播方向形成优势了，它们对其传播方向形成轴对称分布轴对称分布。二、自然光（非偏振光）二、自然光（非偏振光）这种大量振幅相同、有各种振动方向、彼此没有固定这种大量振幅相同、有各种振动方向、彼此没有固定相位关系的光矢量的组合叫相位关系的光矢量的组合叫非偏振光非偏振光或或自然光自然光没有优势方向没有优势方向自然光的光强自然光的光强yxyxIIIII22 yxII 自然光用图表示为自然光用图表示为一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、的、等幅的、不相

8、干不相干的线偏振光。的线偏振光。自然光的分解自然光的分解三、部分偏振光三、部分偏振光光强的分布不是轴对称光强的分布不是轴对称光矢量的振动方光矢量的振动方向不具有轴对称向不具有轴对称分布，而是在某分布，而是在某一方向占优势一方向占优势, ,称称部分偏振光部分偏振光，它介于自然光与它介于自然光与线偏振光之间。线偏振光之间。部分偏振光的分解部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光部分偏振光的图部分偏振光的图示示四、偏振片四、偏振片偏振片是以利用晶体的各向异性（对某一偏振片是以利用晶体的各向异性（对某一方向的光振动有强烈吸收：方向的光振动有强烈吸收：消光方向，另一方消光方向，另一方向可以通光：称为偏振化方

9、向向可以通光：称为偏振化方向）起偏）起偏. .类似机械波通过狭缝类似机械波通过狭缝通光方向线偏振光通过偏振片线偏振光通过偏振片P前后的光强关系：前后的光强关系：五、五、 Malus 定定 律律，200EI 20cosII I0IP 2202cosEEI cosEE0 式中式中 是线偏振光的光是线偏振光的光振动方向与检偏器透振振动方向与检偏器透振方向间的夹角方向间的夹角P E0 E=E0cos 0max0III ， 02 I， 消光消光改变改变 ，I 随之改变随之改变线偏振光线偏振光偏振片偏振片屏屏一束光强为一束光强为I0的线偏振光，透过检偏器以后，透射的线偏振光，透过检偏器以后，透射光的光强为

10、光的光强为 I=I0cos2 称为称为马吕斯定律马吕斯定律。若光源为自然光若光源为自然光自然光自然光偏振片偏振片屏屏自然光入射，出射光强为自然光入射，出射光强为20II yxxEPyE证明：证明：y0 x0y0 x00I2I2III 2x0 xcosII 2y0ysinII 0y0 x0yxI21IIIII 六、六、 检偏检偏用偏振器件分用偏振器件分析、检验光束的析、检验光束的偏振状态称偏振状态称“检检偏偏”。偏振片既。偏振片既可可“起偏起偏”设入射光是自然光、设入射光是自然光、线偏振光、或部分线偏振光、或部分偏振光，如何用偏偏振光，如何用偏振片来区分它们？振片来区分它们？又可又可“检偏检偏”

11、例：如图，例：如图， 在两偏振化方向垂直的在两偏振化方向垂直的P1与与P2之间之间放置另一偏振片放置另一偏振片P3，求求 I2 2=?=?， 2P1P 0I2I1I3P1 I1P2P 0I2I,I21I01 221212coscoscosIII 2sinI81sincosI2120220 )24cos11 (812sin81020II1P2P1E2E3P1E,cos211 II)4cos1 (1610I1I3P1 I1P2P 0I2I但，对部分偏振光通过偏振片但，对部分偏振光通过偏振片y0 x00III 2x0 xcosII 2y0ysinII 2y02x0yxsinIcosIIII y0 x

12、0II yxxEPyE 立体电影立体电影在拍摄玻璃窗内的物体时，去掉反射光的干扰在拍摄玻璃窗内的物体时，去掉反射光的干扰未装偏振片未装偏振片装偏振片装偏振片 The photograph is Anaglyph image. You can see in 3D with Red-Blue glasses 实验表明实验表明: :反射光中垂直入射面的分反射光中垂直入射面的分量比例大；量比例大； 折射光中平行折射光中平行入射面的分量比例大。入射面的分量比例大。入射角入射角 i 变变, , 反射、折射反射、折射光的偏振度也变光的偏振度也变i1n2n自然光反射和折射自然光反射和折射后产生部分偏振光后产生

13、部分偏振光一、布儒斯特角一、布儒斯特角当当 i= =ib 时时, ,反射光中只有垂直入射面的分量，反射光中只有垂直入射面的分量，并且有并且有 bi1n2n线偏振光线偏振光起偏振角起偏振角2biib起偏角，或称起偏角，或称布儒斯特角布儒斯特角由折射定律有由折射定律有b22b1icosnsinnisinn 2112tannnnib布儒斯特定律布儒斯特定律例例: : 若若 n1=1.00(1.00(空气空气) )，n2=1.50(1.50(玻璃玻璃) )。互余互余空气空气玻璃玻璃玻璃玻璃空气空气 423350. 100. 1 185600. 150. 1 1b1btanitani二、布儒斯特定律二、

14、布儒斯特定律bi1n2n线偏振光线偏振光起偏振角起偏振角 要提高反射线偏振光的强度，要提高反射线偏振光的强度，可利用玻璃片堆的多次反射。可利用玻璃片堆的多次反射。空气空气玻璃玻璃 b 4233 i玻璃玻璃空气空气 b 1856i(反射光是完全线偏振光反射光是完全线偏振光 强度几乎强度几乎50%)ib ibibibibib三、玻璃片堆三、玻璃片堆a stack of glass plates0i演示：玻璃片堆演示：玻璃片堆应用：应用：外腔式激光管加装布儒斯特窗外腔式激光管加装布儒斯特窗,可得到偏振性可得到偏振性极好的激光，同时还可减少反射损失。极好的激光，同时还可减少反射损失。假如封闭管子两端的