大学物理第五章1光的偏振ppt课件

1、 5.1 光的偏振现象光的偏振现象 光的偏振态光的偏振态 5.1 线偏振光的获得与检测线偏振光的获得与检测 起偏和检偏、马吕斯定律起偏和检偏、马吕斯定律 5.3 反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振 一反射光和折射光的偏振一反射光和折射光的偏振 二布儒斯特定律二布儒斯特定律 5.4 双折射现象双折射现象 一光的双折射现象一光的双折射现象 二晶体光轴、主平面二晶体光轴、主平面 三单轴晶体中光传播的惠更斯作图法三单轴晶体中光传播的惠更斯作图法 四晶体偏振器件四晶体偏振器件作业：作业：51、52、55、58 、59 、5105 .1 光的偏振态光的偏振态光波中光矢量的振动方向总和光的传播方向相垂

2、直光波中光矢量的振动方向总和光的传播方向相垂直 对横波：对横波：（光波）（光波）光是电磁波，是横波光是电磁波，是横波xE EH H传播方向传播方向当光的传播方向确定时，我们只知道光矢量在垂直于光的传播方当光的传播方向确定时，我们只知道光矢量在垂直于光的传播方向的平面内，至于在这个平面内的哪个方向是不能完全确定的向的平面内，至于在这个平面内的哪个方向是不能完全确定的. .通常把光矢量保持在特定振动方向上的状态通常把光矢量保持在特定振动方向上的状态 称为光的偏振态称为光的偏振态第五章第五章 光的偏振光的偏振xE EH H光波中光矢量的振动方向总和光的传播方向相垂直光波中光矢量的振动方向总和光的传播

3、方向相垂直 对横波：对横波：（光波）（光波）传播方向传播方向因而，在研究除光的干涉和衍射外，作为因而，在研究除光的干涉和衍射外，作为横波的光，还必须研究其振动方向的问题横波的光，还必须研究其振动方向的问题 光的偏振问题光的偏振问题u只有横波才只有横波才具有偏振现象具有偏振现象u光的干涉和衍光的干涉和衍射现象揭示了光射现象揭示了光的波动性，但不的波动性，但不能确定光是横波能确定光是横波还是纵波。还是纵波。光矢量可能有各种不同的振动方向，光矢量可能有各种不同的振动方向，通常把光矢量保持在特定振动方向上的状态通常把光矢量保持在特定振动方向上的状态 称为光的偏振态称为光的偏振态对纵波：振动方向与传播方

4、向一致，即振动只有一个方向。对纵波：振动方向与传播方向一致，即振动只有一个方向。光是电磁波，是横波光是电磁波，是横波具有偏振的特性具有偏振的特性通常把光矢量保持在特定振动方向上的状态通常把光矢量保持在特定振动方向上的状态 称为光的偏振态称为光的偏振态光的分类：光的分类：常见的偏振态可分为以下三类：常见的偏振态可分为以下三类：非偏振光、完全偏振光偏振光）、部分偏振光。非偏振光、完全偏振光偏振光）、部分偏振光。自然光自然光线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光圆偏振光圆偏振光1,线偏振光线偏振光:又称为平面偏振光又称为平面偏振光E播播传传方方向向振振动动面面面对光的传播方向看面对光的传播方向看偏振方

5、向偏振方向光矢量只沿一个固定的方向振动。光矢量只沿一个固定的方向振动。线偏光的振动面振动方向与传播方向决定的平面）线偏光的振动面振动方向与传播方向决定的平面）是固定不动的。是固定不动的。表示方法：表示方法：传播方向传播方向传播方向传播方向光振动平行于纸面的偏振光光振动平行于纸面的偏振光光振动垂直于纸面的偏振光光振动垂直于纸面的偏振光线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解：EEyEx yx sincosEEEEyx 还有个特点：还有个特点：2,2,自然光自然光Natural LightNatural Light）（非偏振光）（非偏振光）: :传播方向传播方向自然光

6、自然光在垂直于光传播方向的平在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向振动的光矢量都有，面内，沿各个方向振动的光矢量都有，光矢量具有轴对称性且光矢量的分布光矢量具有轴对称性且光矢量的分布均匀，各个方向光振动振幅都相等均匀，各个方向光振动振幅都相等 ，无固定相位差。无固定相位差。哪个振动方向哪个振动方向都没有优都没有优u 自然光可分解为两个垂直的、自然光可分解为两个垂直的、u 振幅相等的独立光振动。振幅相等的独立光振动。yxEE yxIIIIIyx u 自然光两个分振动的光强相等，自然光两个分振动的光强相等，各占自然光光强的一半各占自然光光强的一半50%）自然光的分解自然光的分解2/ I自然光的表示

7、法：自然光的表示法：短线和点分别表示平行于纸面和垂直于纸面的光短线和点分别表示平行于纸面和垂直于纸面的光振动振动.点和短线交替均匀画出，表示光矢量对称点和短线交替均匀画出，表示光矢量对称而均匀分布，注意二者无固定的相位关系而均匀分布，注意二者无固定的相位关系.平行于纸面和垂直纸面的分振动光强相等平行于纸面和垂直纸面的分振动光强相等.传播方向传播方向yxEE yxIIIIIyx 自然光的分解自然光的分解2/ I3. 3. 部分偏振光部分偏振光存在优势方向存在优势方向部分偏振光部分偏振光介于自然光和偏振光之间介于自然光和偏振光之间部分偏振部分偏振光的分解光的分解yxEE yxIII 光矢量具有各个

8、方向振动光矢量具有各个方向振动象自然光象自然光, ,光矢量在各方向振动振幅不等光矢量在各方向振动振幅不等偏振偏振特点：特点：各个方向振动的光矢量都有；振幅不相等；光矢量不具有各个方向振动的光矢量都有；振幅不相等；光矢量不具有轴对称性轴对称性部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干无固定位相关系的线偏振光。不相干无固定位相关系的线偏振光。3. 3. 部分偏振光部分偏振光表示法：表示法：存在优势方向存在优势方向部分偏振光部分偏振光介于自然光和偏振光之间介于自然光和偏振光之间部分偏振部分偏振光的分解光的分解yxEE yxIII 平

9、行多余垂直分量平行多余垂直分量垂直于多余平行分量垂直于多余平行分量仰首看到仰首看到“天光天光”俯首看到俯首看到“湖光湖光”4,圆偏振光和椭圆偏振光圆偏振光和椭圆偏振光 y yx z传播方向传播方向 /2xE 0特点：特点：光矢量只沿一个固定的方光矢量只沿一个固定的方向振动的同时，在还要绕向振动的同时，在还要绕着传播方向均匀转动光着传播方向均匀转动光矢量按一定频率旋转）。矢量按一定频率旋转）。如果光矢量端点轨迹是一个圆如果光矢量端点轨迹是一个圆圆偏振光圆偏振光如果光矢量端点轨迹是一个椭圆如果光矢量端点轨迹是一个椭圆椭圆偏振光椭圆偏振光根据相互垂直的简谐振动的合成规律根据相互垂直的简谐振动的合成规

10、律这两个分振动具有确定的相位关系。这两个分振动具有确定的相位关系。 = xy 不同，椭圆形状、旋向也不同。不同，椭圆形状、旋向也不同。 = 3 /2 = 5 /4 = 7 /4 = /2 = /4 = 0yx = 3 /4（-3/4） （-/2）（-/4）复习复习圆、圆、椭圆椭圆偏振偏振光光5.2 线偏振的获得与检验线偏振的获得与检验 起偏和检偏起偏和检偏在实验室内怎样产生偏振光？在实验室内怎样产生偏振光？又如何检验光的偏振态呢？现在常用的方法是利用偏振片。又如何检验光的偏振态呢？现在常用的方法是利用偏振片。 起偏器起偏器: : 起偏的光学器件起偏的光学器件-偏振片偏振片 起偏：起偏： 检偏：

11、检偏：现在常用的起偏和检偏的器件是偏振片现在常用的起偏和检偏的器件是偏振片如何由自然光获得线偏振光？如何由自然光获得线偏振光？u从自然光获得偏振光的过程；从自然光获得偏振光的过程；u鉴别光的偏振状态的过程；鉴别光的偏振状态的过程；x yzz线栅起偏器线栅起偏器 入射入射电磁波电磁波非偏振光非偏振光线偏振光线偏振光光轴光轴电气石晶片电气石晶片透振方向透振方向 偏振片偏振片这种晶粒对某一方向的光矢量有强烈的吸收这种晶粒对某一方向的光矢量有强烈的吸收而相对垂直的方向的光矢量则吸收很少。而相对垂直的方向的光矢量则吸收很少。这就使得做成的偏振片基本上只允许振动面这就使得做成的偏振片基本上只允许振动面在某

12、一特定方向的偏振光通过，这一方向称为偏振化方向在某一特定方向的偏振光通过，这一方向称为偏振化方向(即光通过的方向）即光通过的方向）是在透明基片上蒸度一层某种晶粒做成是在透明基片上蒸度一层某种晶粒做成.P重要规律重要规律2 2、自然光通过偏振片光强衰减一半。、自然光通过偏振片光强衰减一半。1 1、自然光通过偏振片变为线偏振光；、自然光通过偏振片变为线偏振光；偏振片的偏振化方向又称为透偏振方向）：偏振片偏振片的偏振化方向又称为透偏振方向）：偏振片允许通过的光振动的方向允许通过的光振动的方向偏偏振振化化方方向向自然光自然光偏振片偏振片线偏振光线偏振光 各种偏振态的光通过偏振片情况各种偏振态的光通过偏

13、振片情况 自然光自然光1P2P 自然光通过偏振片为线偏光；自然光通过偏振片为线偏光； 转动偏振片转动偏振片360光强不变化；光强不变化； 线偏光线偏光 线偏光通过偏振片为线偏光；线偏光通过偏振片为线偏光； 转动偏振片转动偏振片360光强有变化，光强有变化， 有两次消光；有两次消光；偏振化方向偏振化方向 各种偏振态的光通过偏振片情况各种偏振态的光通过偏振片情况 部分偏振光部分偏振光1P 转动偏振片转动偏振片360光强有变化；无消光光强有变化；无消光 圆偏振光圆偏振光 转动偏振片转动偏振片360光强不变化；光强不变化； 椭圆偏振光椭圆偏振光 转动偏振片转动偏振片360光强有变化；无消光光强有变化；

14、无消光021II 马吕斯定律马吕斯定律 自然光自然光1P0I 线偏光线偏光P P cos0EE 0E, 2 0 0EI 20cosII 马吕斯定律马吕斯定律18091809） 2 2 0 2 cos EEI 0max0III ， 02 I， 消光 P cos0EE 0E 20cosII 马吕斯定律马吕斯定律18091809）P 例题例题1,在双缝干涉中用自然光在屏上形成干涉条在双缝干涉中用自然光在屏上形成干涉条纹纹,若在两缝后放一偏振片若在两缝后放一偏振片,那么那么:（干涉条纹间距不变（干涉条纹间距不变,明纹亮度加强明纹亮度加强（干涉条纹间距不变（干涉条纹间距不变,明纹亮度减弱明纹亮度减弱（干

15、涉条纹间距变窄（干涉条纹间距变窄,明纹亮度减弱明纹亮度减弱（无干涉条纹（无干涉条纹B例例2. 知知NNMM LL以角速度以角速度 转动转动 自然光入射强度为自然光入射强度为自自I求：出射光求：出射光?I ?Imax何时何时解：解：t 1I2INNMM自自ILLI2II1自自tcos2ItcosII2212 自自2)t4cos(18It2sin8I)t2sin21(2Itsintcos2I)t90(cosII222222 自自自自自自自自8IImax自自ITt8I自自4T020cosII .,)(210812kTkt5.3 反射光和折射光的偏振反射光和折射光的偏振一反射光和折射光的偏振一反射光和

16、折射光的偏振自然光在两种各向同性媒质分界自然光在两种各向同性媒质分界面上反射和折射时，面上反射和折射时，不仅光的传播方向要改变，而且不仅光的传播方向要改变，而且偏振状态也要发生变化。偏振状态也要发生变化。i1n2n一般情况下，反射光和折射光一般情况下，反射光和折射光不再是自然光，而是部分偏振光。不再是自然光，而是部分偏振光。反射光中垂直于入射面的光振动多于平行入射面的光振动；反射光中垂直于入射面的光振动多于平行入射面的光振动；折射光中平行于入射面的光振动多于垂直入射面的光振动折射光中平行于入射面的光振动多于垂直入射面的光振动理论和实验证明：理论和实验证明：反射光的偏振化程度和入射角反射光的偏振

17、化程度和入射角 i 有关。有关。i1n2n1n2n0i0i当入射角等于某一特定值当入射角等于某一特定值 i0 时，时，反射光是光振动垂直入射面的线偏光，反射光是光振动垂直入射面的线偏光，这一特定角这一特定角 i0 称为起偏角或布儒斯特角。称为起偏角或布儒斯特角。0i1n2n0i0r当当i = i0 时，时，i0 +r0 = 900201sinsinrnin有有布儒斯特定律 (1812年)21120tgnnni 二布儒斯特定律二布儒斯特定律实验中还发现实验中还发现应用：应用：1n1nn2BintgiB （可测不透明媒质折射率（可测不透明媒质折射率（获得较强线偏振光。（获得较强线偏振光。玻璃片堆玻

18、璃片堆当自然光以起偏角入射时，反射光为线偏光，但光强很弱；当自然光以起偏角入射时，反射光为线偏光，但光强很弱；折射光仍为部分偏振光，但光强较强。折射光仍为部分偏振光，但光强较强。为了增强反射光的强度和折射光的偏振化程度，采用为了增强反射光的强度和折射光的偏振化程度，采用i0(接近线偏振光接近线偏振光) 应用应用3 3： 在拍摄玻璃窗内的物体时，在拍摄玻璃窗内的物体时， 去掉反射光的干扰？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例题例题1 ：一束单色光自空气射向一块平板玻璃，：一束单色光自空气射向一块平板玻璃，设入射角等于布儒斯特角，则在界面的反射光设入射角等于布儒斯特角，则在界面

19、的反射光为：为：，是自然光；，是自然光；，是线偏振光且光矢量的振动方向垂直于入射，是线偏振光且光矢量的振动方向垂直于入射面面，是线偏振光且光矢量的振动方向平行于入射，是线偏振光且光矢量的振动方向平行于入射面；面；，是部分偏振光，是部分偏振光0i0i结果：结果：一束光射入晶体时，折射光分成两束；一束光射入晶体时，折射光分成两束；当晶体在垂直入射光的平面内转动时，当晶体在垂直入射光的平面内转动时，一束折射光传播方向保持不变，一束折射光传播方向保持不变，另一束折射光随着晶体转动传播方向改变。另一束折射光随着晶体转动传播方向改变。 双折射现象双折射现象 方解石方解石oe e o影片：双折射影片：双折射

20、一光的双折射现象一光的双折射现象光的双折射现象光的双折射现象一束光射入各向异性媒质时，折射光分成两束的现象一束光射入各向异性媒质时，折射光分成两束的现象 寻常光寻常光o，非常光，非常光e在上述实验中转动晶体，在上述实验中转动晶体，折射光传播方向不变的那束光称为寻常光折射光传播方向不变的那束光称为寻常光o ；随着晶体转动传播方向改变的那束光称为非常光随着晶体转动传播方向改变的那束光称为非常光e光e光o 寻常光寻常光o o光遵从折射定律；光遵从折射定律；n1n2irore(各向异各向异性媒质性媒质)自然光自然光o光光e光光 非寻常光（非寻常光（ e e光光 ） 一般不遵从折射定律一般不遵从折射定律

21、orninsinsin21 constrie sinsine 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 光均为线偏振光。振动面互相垂直光均为线偏振光。振动面互相垂直光e光o实验上如何证明实验上如何证明二晶体光轴、主平面二晶体光轴、主平面当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该方向称为晶体的光轴。该方向称为晶体的光轴。 晶体的光轴晶体的光轴沿光轴方向沿光轴方向 o 光和光和 e 光在的传播速率相等光在的传播速率相等注意：光轴只是一特殊方向而非一实在轴线注意：光轴只是一特殊方向而非一实在轴线 凡平行

22、于此方向的直线均为光轴。凡平行于此方向的直线均为光轴。如天然方解石如天然方解石AB5.1015.78平行六面体平行六面体 单轴晶体、多轴晶体单轴晶体、多轴晶体多轴晶体：不只一个光轴的晶体。多轴晶体：不只一个光轴的晶体。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。如天然方解石如天然方解石AB5.1015.78平行六面体平行六面体如：方解石、石英、红宝石等如：方解石、石英、红宝石等如：蓝宝石双轴晶体）如：蓝宝石双轴晶体） 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。e光光光轴光轴e光的光的主平面主平面o光光光轴光轴o光的光的主平面主平

23、面o 光的光振动方向垂直于光的光振动方向垂直于o 光的主平面；光的主平面；e 光的光振动方向平行光的光振动方向平行 e 光的主平面。光的主平面。一般情况下，一般情况下，o 光的主平面和光的主平面和 e 光的主平面光的主平面并不重合。并不重合。单轴晶体的子波波阵面单轴晶体的子波波阵面光轴光轴o 波波面面e 波波面面两种光线沿光轴方向的速率相等，两种光线沿光轴方向的速率相等，两波面在光轴方向相切，两波面在光轴方向相切，在垂直光轴方向上，两光线传播速率相在垂直光轴方向上，两光线传播速率相差最大差最大三单轴晶体中光传播的惠更斯作图法三单轴晶体中光传播的惠更斯作图法 光子波波阵面为球面光子波波阵面为球面

24、o振动沿各方向传播速度相同振动沿各方向传播速度相同o光光振动沿各方向传播速度不同振动沿各方向传播速度不同e光光光子波波阵面为旋转椭球面光子波波阵面为旋转椭球面e光轴光轴o 波波面面e 波波面面o 光的传播速率用光的传播速率用vo 表示表示折射率用折射率用no 表示，表示，e 光在垂直光轴方向上的传播速率光在垂直光轴方向上的传播速率用用ve 表示，折射率用表示，折射率用ne 表示表示oocn e cne 根据根据no 和和ne 的大小关系，晶体分为正晶体和负晶体的大小关系，晶体分为正晶体和负晶体 no no ，nene称为晶体的主折射率称为晶体的主折射率 晶体的主折射率、正晶体、负晶体晶体的主折

25、射率、正晶体、负晶体负晶体负晶体 : ne no: ne no: ne no( (e eeo)o)光轴光轴 vetvot光轴光轴 votvet如石英如石英00 cn e cne no no ，nene称为晶体的主折射率称为晶体的主折射率如方解石如方解石MNAB1A2A1E2ECtt0tt1 单轴晶体中光传播的惠更斯作图法单轴晶体中光传播的惠更斯作图法思路：（波的折射）思路：（波的折射）D向晶体内发出球面子波向晶体内发出球面子波和椭球面子波。作所有和椭球面子波。作所有各点所发子波的包络面，各点所发子波的包络面，即得晶体中即得晶体中o 光波面和光波面和e 光波面，从入射点引光波面，从入射点引向相应包络面与向相应包络面与o 光波光波面和面和e 光波面的切点的光波面的切点的连线方向就是所求晶体连