光的横波性与五种偏振态

1、第一页，共34页。2.光的偏振的含义光的偏振的含义光波振动方向的不全面和振幅光波振动方向的不全面和振幅不均等的现象称为光的偏振现象不均等的现象称为光的偏振现象2）光波的横波性的检验（光的偏振现象）光波的横波性的检验（光的偏振现象）如图，让光线依次通过两个偏振片如图，让光线依次通过两个偏振片P1、P2，P1固定不动，以光线为轴转动固定不动，以光线为轴转动P2，发现：随着，发现：随着P2的的取向不同，透的的取向不同，透射光的强度发生射光的强度发生变化，当变化，当P2处于某一位置时透射光的强度最大，由此位置转过处于某一位置时透射光的强度最大，由此位置转过90度后，透射光的强度减为零，即光线完全被度后

2、，透射光的强度减为零，即光线完全被P2所阻挡（消光），若继续所阻挡（消光），若继续转过转过90度，透射光又变为最亮，再转过度，透射光又变为最亮，再转过90度，又复消光，如此等等。度，又复消光，如此等等。结论：结论：偏振片所起的作用反映了它上面存在着一个特殊方偏振片所起的作用反映了它上面存在着一个特殊方向，使光波中的向，使光波中的振动能顺利通过；该实验也反映了光波的振动方向与传播方向垂直即光波是横波。振动能顺利通过；该实验也反映了光波的振动方向与传播方向垂直即光波是横波。光的电磁理论建立以后，光的横波性才得以完满说明：在自由空间传播的光波是一种纯粹的横波，光波中沿横向振动着的物理量是光的电磁理论

3、建立以后，光的横波性才得以完满说明：在自由空间传播的光波是一种纯粹的横波，光波中沿横向振动着的物理量是电场矢量和磁场矢量，鉴于在光和物质的相互作用过程中主要是光波中的电矢量起作用，所以常以电矢量作为光波中振动矢量的代表。电场矢量和磁场矢量，鉴于在光和物质的相互作用过程中主要是光波中的电矢量起作用，所以常以电矢量作为光波中振动矢量的代表。光的横波性只表明电矢量与光的传播方向垂直，在与传播方向垂直的二维空间里电矢量还可能有各式各样的振动状态，称之为光的光的横波性只表明电矢量与光的传播方向垂直，在与传播方向垂直的二维空间里电矢量还可能有各式各样的振动状态，称之为光的偏振态或偏振结构。偏振态或偏振结构

4、。第二页，共34页。偏振片偏振片（1）晶体的二向色性（选择吸收性）晶体的二向色性（选择吸收性）（2）偏振片及其透振方向和消光方向）偏振片及其透振方向和消光方向（3）偏振片的制造）偏振片的制造（4）偏振片的起偏和检偏性能）偏振片的起偏和检偏性能第三页，共34页。光的五种偏振态光的五种偏振态1）光是横波，才有不同的偏振状态）光是横波，才有不同的偏振状态2）光波的五种偏振态：）光波的五种偏振态：自然光、自然光、线偏振光、部分偏振光、线偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。圆偏振光和椭圆偏振光。3线偏振光线偏振光1)线偏振光的定义：线偏振光的定义：第四页，共34页。在垂直光传播方向的平面上，只有单

5、一在垂直光传播方向的平面上，只有单一方向的振动矢量，随着时间的推移，振方向的振动矢量，随着时间的推移，振动矢量只改变大小、不改变方向。动矢量只改变大小、不改变方向。第五页，共34页。2)振动面与平面偏振动面与平面偏振动面：振动面：线偏振光的传播方向与线偏振光的传播方向与振动方向构成的平面。振动方向构成的平面。同一波线上的线偏振光的光振动均处于同一同一波线上的线偏振光的光振动均处于同一振动面上，又称线偏振光为振动面上，又称线偏振光为平面偏振光平面偏振光。线偏振光是偏振程度最强的光，又称线偏振线偏振光是偏振程度最强的光，又称线偏振光为光为全偏振光全偏振光。 第六页，共34页。3）线偏振光通过偏振片

6、后的光强度）线偏振光通过偏振片后的光强度若入射的线偏振光强为：若入射的线偏振光强为： 0I旋转偏振片旋转偏振片P一周，一周，出射光强的变化为：出射光强的变化为： 000III线偏振光线偏振光0IIP存在一个消光方向存在一个消光方向, 在垂直在垂直 P 的透振方向上的透振方向上第七页，共34页。4）马吕斯定律）马吕斯定律称上式为马吕斯定律称上式为马吕斯定律注意：注意： （1）只适用于线偏振光）只适用于线偏振光（2）马吕斯定律公式上的）马吕斯定律公式上的 三角函数项是平方项。三角函数项是平方项。0AAPcos0AA 由于：由于：20cosII 就有：就有：第八页，共34页。5）起偏器和检偏器）起偏

7、器和检偏器起偏器：起偏器：任何偏振态的光通过后透射任何偏振态的光通过后透射 光都变为线偏振光的器件。光都变为线偏振光的器件。检偏器：检偏器：检查入射光偏振态的器件检查入射光偏振态的器件 线偏振射光通过此器件后光线偏振射光通过此器件后光 强变为零强变为零。偏振片既是起偏器，又是检偏器。偏振片既是起偏器，又是检偏器。第九页，共34页。6）一束线偏振光可以分解为两束）一束线偏振光可以分解为两束 互相垂直的线偏振光互相垂直的线偏振光AEyxcos()EAtcosAAxsinAAycos()xxEAtcos()yyEAt0 ,jEiEyx第十页，共34页。若将若将 带入参量方程消去参量带入参量方程消去参

8、量t， 0,就有：就有： ，这正是直线方程，这正是直线方程xyxyAAEE结论：结论：（1）线偏振光可以分解为两个互相垂直）线偏振光可以分解为两个互相垂直 的相位差为的相位差为 0 或或 的线偏振光，的线偏振光，（2）可以由这两束线偏振光代替这束线偏振光。）可以由这两束线偏振光代替这束线偏振光。第十一页，共34页。4自然光自然光1）自然光的定义：）自然光的定义：在垂直光传播方向的平面上，在垂直光传播方向的平面上，所有方向均有横振动，所有方向均有横振动， 各个方向的振动幅度均相等，各个方向的振动幅度均相等，形成如图所示的轴对称振幅分布。形成如图所示的轴对称振幅分布。第十二页，共34页。2）自然光

9、通过偏振片后的光强度）自然光通过偏振片后的光强度若入射的自然光强为：若入射的自然光强为： 0I自然光自然光0IIP旋转偏振片旋转偏振片P一周，出射光强均为：一周，出射光强均为： 021II 第十三页，共34页。3）试证明自然光通过偏振片后）试证明自然光通过偏振片后 出射光强为入射光强的一半。出射光强为入射光强的一半。自然光由无数条非相干的线偏振光组成自然光由无数条非相干的线偏振光组成数密度：数密度： 单位夹角内包单位夹角内包含的含的 线偏振光的条数线偏振光的条数 0)(角内包含的线偏振角内包含的线偏振光的条数：光的条数： 0NP第十四页，共34页。角内包含的线偏振光的总强度：角内包含的线偏振光

10、的总强度： 00iNiI入射的自然光的总光强：入射的自然光的总光强： 0200002idiII设偏振片的透振方向与设偏振片的透振方向与 角内线偏振光角内线偏振光的夹角为：的夹角为： 依据马吕斯定律：依据马吕斯定律：20cosII 第十五页，共34页。角内的线偏振光通过偏振片后的光强为：角内的线偏振光通过偏振片后的光强为： 202coscosiNiI透过偏振片后自然光的光强变为：透过偏振片后自然光的光强变为： 02020cosidiI因此有：因此有： 021II )(cos20i注意：已经将公式中的注意：已经将公式中的 改写为改写为 第十六页，共34页。5部分偏振光部分偏振光1）部分偏振光的定义

11、：）部分偏振光的定义：在垂直光传播方向的平面上，在垂直光传播方向的平面上，所有方向均有横振动，但不同所有方向均有横振动，但不同方向的振动幅度不相等，形成方向的振动幅度不相等，形成如图的振幅分布。如图的振幅分布。2）部分偏振光通过）部分偏振光通过 偏振片后的光强度偏振片后的光强度 第十七页，共34页。若入射的部分偏振光强为若入射的部分偏振光强为 0I旋转偏振片旋转偏振片P一周，出射光强的变化为：一周，出射光强的变化为： 与与 的振动方向互相垂直的振动方向互相垂直MImIMmMIIII，没有消光现象出现，没有消光现象出现部分偏振光部分偏振光IP0I第十八页，共34页。3）部分偏振光的总光强）部分偏

12、振光的总光强 mMIII4）偏振度：）偏振度： mMmMIIIIP时，时， ，为自然光，为自然光 MImI0P时，时， ，是线偏振光，是线偏振光 1P0mI注意：注意： 与与 是所有线偏振光在这两个互相是所有线偏振光在这两个互相 垂直方向上的投影分量的非相干叠加。垂直方向上的投影分量的非相干叠加。 MImI第十九页，共34页。6圆偏振光圆偏振光1）圆偏振光的定义：）圆偏振光的定义：在垂直光传播方向的平面上，在垂直光传播方向的平面上，只有单一的振动矢量，只有单一的振动矢量，振动矢量的大小不变，振动矢量的大小不变，振动方向匀速转动，振动方向匀速转动，振动矢量的端点描绘成一个圆形轨迹。振动矢量的端点

13、描绘成一个圆形轨迹。Oxy第二十页，共34页。2）圆偏振光通过偏振片后的光强度）圆偏振光通过偏振片后的光强度若入射光强为：若入射光强为： 0I圆偏振光圆偏振光0IIP旋转偏振片旋转偏振片P一周，一周， 出射光强不变化出射光强不变化 021II 第二十一页，共34页。3）圆偏振光能够分解成两束互相）圆偏振光能够分解成两束互相 垂直的线偏振光垂直的线偏振光jEiEEyx/2 cos()xEAtcos()yEAtcos()cos()At iAt jExEyEOxyA第二十二页，共34页。若将若将 带入方程，消去参量带入方程，消去参量t /2 就有：就有： ，正是圆方程。，正是圆方程。222AEEyx

14、结论：结论：（1）圆偏振光可以分解为两个互相垂直）圆偏振光可以分解为两个互相垂直 的振幅相等、相位差为的振幅相等、相位差为 的线偏振光。的线偏振光。2/（2）可以由这两束线偏振光来代替）可以由这两束线偏振光来代替 这束圆偏振光。这束圆偏振光。第二十三页，共34页。4）圆偏振光的总光强：）圆偏振光的总光强： 2222AAAIyx5）左旋圆偏振光与右旋圆偏振光）左旋圆偏振光与右旋圆偏振光（1）定义：）定义： 迎着光线传播方向观看，迎着光线传播方向观看，若振动矢量若振动矢量 顺时针旋转就称为顺时针旋转就称为右旋圆偏振光，此时：右旋圆偏振光，此时： E/2 若振动矢量若振动矢量 逆时针旋转就称为逆时针

15、旋转就称为左旋圆偏振光，此时：左旋圆偏振光，此时： E/2 第二十四页，共34页。（2）证明：）证明：若圆偏振光的若圆偏振光的 ， 则振动矢量则振动矢量 逆时针旋转。逆时针旋转。/2E证明：证明： 已知：已知： cos()xEAtcos(2)yEAtttAEx,0yE 0tAEx0,yE0txEyEOtt如图所示，由如图所示，由 到到 0ttt旋转走向为逆时针方向。旋转走向为逆时针方向。第二十五页，共34页。7椭圆偏振光椭圆偏振光1）椭圆偏振光定义：）椭圆偏振光定义：在垂直光传播方向的平在垂直光传播方向的平面上，只有单一的振动面上，只有单一的振动矢量，振动矢量的大小矢量，振动矢量的大小和方向不

16、断地改变，和方向不断地改变，振动矢量的端点描绘成振动矢量的端点描绘成一个椭圆形轨迹。一个椭圆形轨迹。 EyxO第二十六页，共34页。2）椭圆偏振光通过偏振片后的光强度）椭圆偏振光通过偏振片后的光强度椭圆振光椭圆振光0IIP若入射的部分偏振光强为若入射的部分偏振光强为 0I旋转偏振片旋转偏振片P一周，出射光强的变化为：一周，出射光强的变化为： 与与 的振动方向垂直。的振动方向垂直。 MImIMmMIIII,没有消光现象出现没有消光现象出现第二十七页，共34页。3）椭圆偏振光能够分解成两束互相）椭圆偏振光能够分解成两束互相 垂直的线偏振光垂直的线偏振光jEiEEyxcos()xxEAtcos()y

17、yEAt02当当 时，时， yxAA /2 yExEEyxOA第二十八页，共34页。若消去参量方程中的若消去参量方程中的t 有：有： 222222cossinyxyxxyxyEE EEAAA A这正是椭圆方程式这正是椭圆方程式 结论：结论：（1）椭圆偏振光可以分解为两个互相）椭圆偏振光可以分解为两个互相 垂直的振幅不相等的相位差固定、垂直的振幅不相等的相位差固定、 但不等于但不等于 或或 0的线偏振光。的线偏振光。（2）可以由这两束线偏振光来代替这）可以由这两束线偏振光来代替这 束椭圆偏振光。束椭圆偏振光。第二十九页，共34页。4）椭圆偏振光的总光强：）椭圆偏振光的总光强： mMIII5）左旋

18、与右旋椭圆偏振光）左旋与右旋椭圆偏振光定义：定义：迎着光线传播的方向观看，迎着光线传播的方向观看，若振动矢量若振动矢量 顺时针旋转就称为顺时针旋转就称为右旋椭圆偏振光右旋椭圆偏振光，若振动矢量若振动矢量 逆时针旋转就称为逆时针旋转就称为左旋椭圆偏振光。左旋椭圆偏振光。 EE第三十页，共34页。6）各种相位差对应的椭圆偏振态图）各种相位差对应的椭圆偏振态图（1）当坐标系为如图所示时）当坐标系为如图所示时（2）参量方程为：）参量方程为：cos()xxEAtcos()yyEAtyx第三十一页，共34页。（3）就有如下的各种相位差对应的椭圆偏振态图）就有如下的各种相位差对应的椭圆偏振态图（4）若参量方程用复振幅表示，则为：）若参量方程用复振幅表示，则为：xxAE ，iyyeAE 。，第三十二页，共34页。7）自然光能够分解成两束线偏振光）自然光能够分解成两束线偏振光两束线偏振光的关系是：两束线偏振光的关系是：（1）分解的方向可以任意，但两束线偏振光）分解的方向可以任意，但两束线偏振光 的方向必须互相垂直的方向必须互相垂直 （2）两束线偏振光的光强相等，均为）两束线偏振光的光强相等，均为 021II （3）两束线偏振光的相位差随时间