大学物理下册第二十四章 光的偏振 课件

1、纵波：振动方向对传播方向具有纵波：振动方向对传播方向具有对称性对称性 横波：振动方向对传播方向横波：振动方向对传播方向不不具有具有对称性对称性 第二十四章第二十四章 光的偏振光的偏振这种这种不对称性不对称性 ，称之为，称之为“偏振偏振”光的光的偏振态偏振态 在垂直于光传播方向的平面内，光矢量的振动在垂直于光传播方向的平面内，光矢量的振动状态有各种不同的方式，称为光的偏振态。状态有各种不同的方式，称为光的偏振态。uEHOxyz光矢量：光矢量：E偏振偏振 : 是横波与纵波的重要区别！是横波与纵波的重要区别！E24.1 24.1 光的偏振状态光的偏振状态1.线偏振光线偏振光振动面振动面EzE（ 平面

2、偏振光）平面偏振光） 分类：分类： 完全偏振光完全偏振光 自然光自然光 部分偏振光部分偏振光 线偏振光线偏振光椭圆椭圆(圆圆)偏振光偏振光 一、一、 （完全）偏振光（完全）偏振光 图示：图示：或：或：2. 椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光2zxy0EEE椭圆偏振光椭圆偏振光圆偏振光圆偏振光 面对光源观察：面对光源观察： 光矢量方向按光矢量方向按顺时针顺时针方向旋转方向旋转的，称为的，称为右旋偏振光右旋偏振光； 光矢量方向按光矢量方向按逆时针逆时针方向旋转方向旋转的，称为的，称为左旋偏振光左旋偏振光。ERight ELeft 二二.非偏振光非偏振光yxIII IIIyx21 XYZ（自然

3、光）（自然光）三三. . 部分偏振光部分偏振光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或或EE 通光方向（偏振化方向）通光方向（偏振化方向） 1. 1. 偏振片：偏振片：24.2 24.2 线偏振光的获得与检验线偏振光的获得与检验2 2. 起偏和检偏起偏和检偏自然光自然光I0线偏振光线偏振光I偏振化方向偏振化方向021II ?I线偏振光线偏振光I3 3. 马吕斯定律马吕斯定律2 IEmax0III，02I，( (马吕斯定律马吕斯定律) ) 消光消光222 cosIEEcosEEE cos 2II 当当; 当当起偏器起偏器检偏器检偏器自然光自然光I0线偏振光线偏振光I偏振化方向偏振化

4、方向 线偏振光线偏振光I起偏器起偏器检偏器检偏器P1P22cosII2 2）将）将P P2 2旋转旋转3603600 0，透过它的光强有何变化？，透过它的光强有何变化？ 线偏振光透过偏振片后光强变化，将出现两明两暗。线偏振光透过偏振片后光强变化，将出现两明两暗。（有消光现象）（有消光现象）自然光透过偏振片后光强不变，但只有入射光强的一半。自然光透过偏振片后光强不变，但只有入射光强的一半。1 1）将）将P P1 1旋转旋转3603600 0，透过它（，透过它（P P1 1 ）的光强有何变化？）的光强有何变化？思考：思考：201cos2I3）判断：）判断：如何通过观察透射光强变化区分如何通过观察透

5、射光强变化区分线偏振光线偏振光、自然光自然光、部部分偏振光？分偏振光？ （1）. 强度有变化，而且有消光现象强度有变化，而且有消光现象 线偏振光线偏振光（2）. 强度没有变化强度没有变化 自然光自然光（3）. 强度有变化，但无消光现象强度有变化，但无消光现象部分偏振光部分偏振光1P0 I21PP 2P3P你能说明为什么吗你能说明为什么吗？2光强为光强为 I I0 0 的自然光相继通过偏振片的自然光相继通过偏振片P P1 1、P P2 2、P P3 3后光强为后光强为I I3 3 ，已知，已知P P1 1 P P3 3，问：，问：P P1 1、P P2 2间夹角多大时间夹角多大时I I3最大最大

6、 ？解解: 分析分析P1P2P3I0I3I1I2例例1: P3P1P2201II 212cosII 232cos2II220cossin2I22sinI20sin 28I1 1）要使线偏振光的光矢量振动方向改变）要使线偏振光的光矢量振动方向改变90900 0，最少需要，最少需要几块偏振片？几块偏振片？2 2）两块偏振片如何放置才能使透射光强度最大？）两块偏振片如何放置才能使透射光强度最大？最少需要两块最少需要两块互成互成45450 0角角0IP P1 1I I1 1P P2 2I I2 2221cosII201sin 24IP1P2P3I0I3I1I2203sin 28II思考：思考：024m

7、axII例：例： 用两偏振片平行放置作为用两偏振片平行放置作为起偏器起偏器和和检偏器检偏器。在它们的偏。在它们的偏振化方向成振化方向成30300 0角时，观测一光源，又在成角时，观测一光源，又在成60600 0角时，观察同一角时，观察同一位置处的另一光源，两次所得的强度相等。求两光源照到起偏位置处的另一光源，两次所得的强度相等。求两光源照到起偏器上光强之比。器上光强之比。透过检偏器后光的强度为透过检偏器后光的强度为2221cos 602II 2111cos 302II 按题意：按题意：21II 60cos30cos2221II 即：即：3130cos60cos2221II解解 : :令令I I

8、1 1和和I I2 2分别为两光源照到起偏器上的光强。分别为两光源照到起偏器上的光强。透过起偏器后，光的强度分别为透过起偏器后，光的强度分别为I I1 1/2/2和和I I2 2 /2 /2。4、偏振光的应用、偏振光的应用 45O1）汽车车灯）汽车车灯2）太阳镜）太阳镜3）观看立体电影）观看立体电影45O立体电影的拍摄立体电影的拍摄24.3 反射和折射产生的偏振反射和折射产生的偏振ib 布儒斯特角或起偏角布儒斯特角或起偏角1 1. 反射和折射产生的偏振反射和折射产生的偏振自然光反射和折射后产生自然光反射和折射后产生部分偏振光部分偏振光2n1nii垂直垂直于入射面的振于入射面的振动大于动大于平行

9、平行于入射于入射面的振动面的振动 。平行平行于入射面的振动大于入射面的振动大于于垂直垂直于入射面的振动于入射面的振动 。1 1）反射光是光振动垂直于入射面的线偏振光）反射光是光振动垂直于入射面的线偏振光 ；当光以当光以布儒斯特角布儒斯特角入射时：入射时：bi2n1nbi线偏振光线偏振光23 3）反射光和折射光传播方向相互垂直；）反射光和折射光传播方向相互垂直；2 2）反射光是线偏振光但光强弱，折射光是部分偏振光但）反射光是线偏振光但光强弱，折射光是部分偏振光但 光强强。光强强。2 2. 布儒斯特定律布儒斯特定律 ：此时：此时：ib+=90o12sinsinbnin2cosbni2211tanb

10、ninnbi 2n1nbi 线偏振光线偏振光 2例如：例如：1 56 18b1.50itg1.001 33 42b1.00itg1.50i ib b互余互余! !n n1 1 =1.00 =1.00（空气空气）；）；n n2 2 =1.50 =1.50（玻璃玻璃），则：），则：由空气由空气玻璃玻璃由玻璃由玻璃空气空气玻璃片堆：玻璃片堆：许多玻璃片叠起来，用以增大反射光的强许多玻璃片叠起来，用以增大反射光的强 度和折射光的偏振化程度。度和折射光的偏振化程度。接近线偏振光接近线偏振光3、应用、应用 玻璃片堆玻璃片堆ib线偏振光线偏振光 bi I0I偏振镜偏振镜bibibi例题例题：画出下列图中的反

11、射光、折射光以及它们的偏振状态。画出下列图中的反射光、折射光以及它们的偏振状态。1n2n1n2n1n2n1n2n1n2n1n2n24.5 24.5 光的双折射光的双折射1 1、定义：定义：一束光入射到一束光入射到各向异性介质各向异性介质折射后出现两束折射后出现两束 折射光线的现象。折射光线的现象。一一、双折射现象双折射现象2 2、寻常光线和非常光线、寻常光线和非常光线n1n2各向异性媒质各向异性媒质o光光oee光光i自然光自然光寻常光线（寻常光线（o o光）：光）： 遵从折射定律遵从折射定律12sinsin;onin非常光线（非常光线（e e光）光） : : 一般不遵从折射定律一般不遵从折射定

12、律esiniconstsin注意：注意：e e 光折射线也不一定在入射面内！光折射线也不一定在入射面内！ o o光和光和e e光都是线偏振光光都是线偏振光12122o1nvsininsinnv二、晶体的性质二、晶体的性质 当光在晶体内沿某个当光在晶体内沿某个特殊方向特殊方向传播时将传播时将不发生双折射不发生双折射，该方向称为晶体的该方向称为晶体的光轴光轴，例如例如 ：方解石晶体：方解石晶体(冰洲石冰洲石) 光轴是光轴是一特殊的方向一特殊的方向, ,凡平行凡平行于此方向的直线均为光轴。于此方向的直线均为光轴。单轴晶体：只有一个光轴的晶体单轴晶体：只有一个光轴的晶体双轴晶体：有两个光轴的晶体双轴晶

13、体：有两个光轴的晶体A光轴光轴102B方解石晶体方解石晶体1 光轴光轴78ECD 正晶体正晶体eonn eovv 子波源子波源光轴光轴vo tve to波面波面e波面波面( 平行光轴截面平行光轴截面 )ovev( 垂直光轴截面垂直光轴截面 )负晶体负晶体eonn eovv 光轴光轴 子波源子波源vo tve te波面波面o波面波面( 平行光轴截面平行光轴截面 )evov( 垂直光轴截面垂直光轴截面 )o波面波面o波面波面e波面波面e波面波面2 正晶体、负晶体正晶体、负晶体3 3 主平面主平面e e 光振动方向在主平面内光振动方向在主平面内o o 光振动方向垂直于主平面光振动方向垂直于主平面光轴

14、光轴光轴光轴e光光o光光e e 光的光的主平面主平面O O 光的光的主平面主平面晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。晶体中光的传播方向与晶体光轴构成的平面。 光轴在入射面时光轴在入射面时,o ,o 光主平面和光主平面和e e 光主平面重合光主平面重合, ,此时此时o o 光振动和光振动和e e 光振动相互垂直。一般情况下，两个主平面光振动相互垂直。一般情况下，两个主平面夹角很小，故可认为夹角很小，故可认为o o 光振动和光振动和e e 光振动仍然相互垂直。光振动仍然相互垂直。Review: 双折射现象1、基本概念：1）双折射2）寻常光和非寻常光(o光振动垂直o 光主平面)(e 光振动在e

15、光主平面内)3）光轴注意：是一特殊的方向4）正晶体、负晶体 正晶体eonn eovv 光轴 tovtev( 平行光轴截面 )负晶体eonn eovv 光轴 ( 平行光轴截面 )2、惠更斯原理作图法解释双折射现象三三、惠更斯原理在双折射现象中的应用惠更斯原理在双折射现象中的应用1 1） 光轴平行于晶体表面，自然光垂直入射光轴平行于晶体表面，自然光垂直入射. . o o、e e 光传播方向相同，但速度不同，有双折射现象。光传播方向相同，但速度不同，有双折射现象。空气空气方解石晶体方解石晶体光轴光轴 o光光e光光o光光e光光AB空气空气方解石晶体方解石晶体光轴光轴 icto光光e光光o光光e光光2

16、2） 光轴平行于晶体表面，自然光斜入射光轴平行于晶体表面，自然光斜入射. . ot e etABC3）光轴平行于晶体表面且垂直于入射面，）光轴平行于晶体表面且垂直于入射面，自然光斜入射自然光斜入射. .0sinicsinoonesinicsineen io光光e光光空气空气 方解石晶体方解石晶体光轴光轴 o光光e光光ct e et otABC 空气空气 方解石晶体方解石晶体AB4）光轴在入射面内并垂直于晶体表面，自然光垂直入射）光轴在入射面内并垂直于晶体表面，自然光垂直入射.光轴光轴o波面波面e波面波面 光在晶体内沿光轴方向传播，不发生双折射。光在晶体内沿光轴方向传播，不发生双折射。5 ）光轴

17、与晶体表面斜交，自然光垂直入射）光轴与晶体表面斜交，自然光垂直入射. 空气空气 方解石晶体方解石晶体AB光轴光轴o波面波面e波面波面o光光o光光e光光e光光6）光轴与晶体表面斜交，自然光斜入射）光轴与晶体表面斜交，自然光斜入射 空气空气 方解石晶体方解石晶体AB光轴光轴o光光o光光e光光e光光iCct 方解石方解石玻璃玻璃胶合剂胶合剂 o吸收涂层吸收涂层i光轴光轴1 1） 偏振棱镜：偏振棱镜：格兰格兰汤姆孙棱镜汤姆孙棱镜光轴的取向使光轴的取向使o光、光、e光对应的恰是光对应的恰是no、 ne 。no (1.6584) ne(1.4864) n玻玻=1.655， n胶胶=1.655 n胶胶非常接近非常接近no ，所以入射自然光中的垂直分量几乎无偏折，所以入射自然光中的垂直分量几乎无偏折射入方解石而后射入空气，但射入方解石而后射入空气，但ne比比n胶胶小，当入射角大于临界角小，当入射角大于临界角时，入射光中的平行振动在胶合剂与方解石的界面发生全反射，时，入射光中的平行振动在胶合剂与方解石的界面发生全反射，透过方解石的光就为线偏振光。透过方解石的光就为线偏振光。四四、晶体偏振器件晶体偏振器件2）晶体的二向色性和偏振片晶体的二向色性和偏振片 光轴光轴e光光电气石电气石光轴光轴 某些晶体对相互垂直的光振动有选